SiC納米線改性陶瓷基復(fù)合材料界面制備陶瓷基復(fù)合材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，具體涉及一種低壓化學(xué)氣相滲透(LPCVI)催化生長SiC納米線的工藝，以及利用該工藝在碳纖維預(yù)制體上原位生長SiC納米線改性纖維與基體間的界面，是一種SiC納米線改性陶瓷基復(fù)合材料界面制備陶瓷基復(fù)合材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]連續(xù)纖維增韌陶瓷基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度，高比模量，低密度，優(yōu)異的斷裂韌性以及優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，使其成為全世界研究的熱點(diǎn)，并逐漸應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域，成為重要的熱結(jié)構(gòu)部件的理想材料。在陶瓷基復(fù)合材料中，纖維和基體間的界面起著在碳纖維和碳化硅基體間傳遞載荷和裂紋偏轉(zhuǎn)的作用。作為一個合適的界面，必須有合適的界面結(jié)合力。過強(qiáng)的界面結(jié)合力會使材料發(fā)生災(zāi)難性的脆性破壞，而過弱的界面結(jié)合又會影響載荷的有效傳遞，影響材料的力學(xué)性能。所以，合適的界面對陶瓷基復(fù)合材料的力學(xué)性能及應(yīng)用有非常大的價值。SiC納米線，作為一維SiC納米材料，具有高強(qiáng)度、高模量、耐熱、耐磨等非常優(yōu)異性能，目前已成功應(yīng)用于增強(qiáng)和改性陶瓷基、金屬基和樹脂基復(fù)合材料等諸多材料基體并且有非常優(yōu)異的強(qiáng)韌效果。但是目前用SiC納米線改性陶瓷基復(fù)合材料界面的研究領(lǐng)域還是空白?？紤]到SiC納米線優(yōu)異的力學(xué)性能，以及SiC納米線在增強(qiáng)基體時表現(xiàn)出的優(yōu)異強(qiáng)韌效果，因此研究納米線改性陶瓷基復(fù)合材料界面，進(jìn)而指導(dǎo)納米線改性陶瓷基復(fù)合材料界面，具有重要意義。文獻(xiàn)一 “Yang ff, Araki H, Kohyama A, et al.The effectof SiC nanowires on the flexural properties of CV1-SiC/SiC composites[J].Jouralof Nuclear Materials, 367-370 (2007): 708-712.，，和文獻(xiàn)二“Yang ff, Araki H, Tang C, etal.Single Crystal SiC nanowires with a thin carbon coating for stronger andtougher ceramic composites [J].Advanced Materials, 2005，17 (12): 1519-1523.，，在這兩篇文獻(xiàn)中都利用了 SiC納米線強(qiáng)韌SiC/SiC復(fù)合材料基體，得到納米線復(fù)合材料的力學(xué)性能有非常有效的提高。當(dāng)在復(fù)合材料中添加6%體積分?jǐn)?shù)的納米線時。材料的比例極限強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別提高了 30%和10%，斷裂韌性增強(qiáng)了近一倍。
[0003]文獻(xiàn)三“Hwan-SupLee, Jun-Gyu Kim, Doo Jin cho1.The effect of SiC whiskerand SiC film coating deposited by chemical vapor infiltrat1n(CVI)on a porouscordierite substrate [J].Joural of material science, 2008，43 (16): 5574-5578.，，制備了 SiC納米線改性陶瓷基體，測試結(jié)果表明，在基體中添加了納米線后，材料的抗壓強(qiáng)度提高了 250%，表明納米線作為增強(qiáng)相，有非常優(yōu)異的強(qiáng)韌效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]要解決的技術(shù)問題
[0005]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種SiC納米線改性陶瓷基復(fù)合材料界面制備陶瓷基復(fù)合材料的方法，以低壓CVI工藝原位催化生長SiC納米線，并用納米線改性陶瓷基復(fù)合材料界面。
[0006]技術(shù)方案
[0007]—種SiC納米線改性陶瓷基復(fù)合材料界面制備陶瓷基復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟如下:
[0008]步驟1、采用無水乙醇超聲清洗多孔纖維預(yù)制體后，放入烘箱中烘干；
[0009]步驟2:真空浸漬多孔纖維預(yù)制體:將多孔纖維預(yù)制體和催化劑溶液放入浸漬罐中，使得催化劑溶液完全淹沒纖維預(yù)制體，抽真空3?5min至真空度為_0.1MPa，進(jìn)行真空浸漬；浸漬后，取出浸漬后的纖維預(yù)制體并烘干，得到真空浸漬后的多孔纖維預(yù)制體；
[0010]步驟3、原位沉積SiC納米線:將浸漬后的多孔纖維預(yù)制體放在立式化學(xué)氣相沉積CVD爐中，以三氯甲基硅烷MTS為硅源；氬氣Ar作為稀釋氣體，稀釋比為30?90 ;氫氣作為載氣，進(jìn)行原位沉積SiC納米線；
[0011]步驟4、沉積SiC基體:將含SiC納米線的纖維預(yù)制體放入立式CVD爐，以三氯甲基硅烷MTS為硅源；氬氣Ar作為稀釋氣體，稀釋比為9?11，采用CVI工藝制備SiC基體，得到致密SiC納米線改性的陶瓷基復(fù)合材料。
[0012]所述多孔纖維預(yù)制體是碳化硅纖維預(yù)制體或氮化硅纖維預(yù)制體。
[0013]所述步驟1中烘箱干燥溫度是70?200 °C。
[0014]所述催化劑為Fe、Co、Ni的氯化物或硝酸鹽的任意一種或多種組合。
[0015]所述催化劑溶液的濃度是0.2?1.0mol/Lo
[0016]所述步驟3中原位沉積SiC納米線的沉積溫度為1000 °C，爐內(nèi)壓強(qiáng)為-0.0lMPa，沉積時間為2h。
[0017]所述步驟4中沉積SiC基體時沉積溫度為900?1200°C，壓力為0.5?5KPa，爐內(nèi)壓強(qiáng)為-0.0lMpa。
[0018]有益效果
[0019]本發(fā)明提出的一種SiC納米線改性陶瓷基復(fù)合材料界面制備陶瓷基復(fù)合材料的方法，將多孔纖維預(yù)制體浸漬在催化劑溶液中，然后在CVD爐中，以三氯甲基硅烷MTS為硅源；氬氣Ar作為稀釋氣體，稀釋比為30?90 ;氫氣作為載氣，進(jìn)行原位沉積SiC納米線；再以三氯甲基硅烷MTS為硅源；氬氣Ar作為稀釋氣體，稀釋比為9?11，采用CVI工藝制備SiC基體，得到致密SiC納米線改性的陶瓷基復(fù)合材料。
[0020]本發(fā)明利用SiC納米線的增強(qiáng)增韌機(jī)制，提高材料的力學(xué)性能。與相同工藝下的PyC界面的復(fù)合材料相比，SiC納米線做界面的復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度提高了 26.7% (圖6)，還可以提高界面的抗氧化性。
[0021]本方法制備的SiC納米線在碳布上的分布如圖2所示，制得的SiC界面如圖3所示，試樣測試后的斷口如圖4所示。
【附圖說明】
[0022]附圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。
[0023]附圖2是本發(fā)明制備的SiC納米線在碳布上的分布圖。
[0024]附圖3是本發(fā)明制備的SiC納米線做界面改性C/SiC復(fù)合材料圖。
[0025]附圖4、5是本發(fā)明制備的SiC納米線做界面改性C/SiC復(fù)合材料斷口圖。
[0026]附圖6是SiC納米線改性C/SiC復(fù)合材料界面后力學(xué)性能提高對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0028]制備過程:
[0029]步驟1:將多孔纖維預(yù)制體用無水乙醇超聲清洗30?90min后，放入烘箱中烘干，烘箱干燥溫度是70?200°C。所述多孔纖維預(yù)制體是碳化硅纖維預(yù)制體或氮化硅纖維預(yù)制體。
[0030]步驟2:制備催化劑溶液。配制濃度為0.2?1.0mol/L的催化劑溶液。所述催化劑為Fe、Co、Ni的氯化物或硝酸鹽的任意一種或多種組合。
[0031]步驟3:真空浸漬多孔纖維預(yù)制體。將多孔纖維預(yù)制體和催化劑溶液放入玻璃浸漬罐中，抽真空3?5min，至真空度_0.1MPa，然后將預(yù)制體浸漬到催化劑溶液中，直至完全淹沒纖維預(yù)制體，進(jìn)行真空浸漬。浸漬充分后，取出浸漬后的纖維預(yù)制體并烘干，得到真空浸漬后的多孔纖維預(yù)制體。
[0032]步驟4:原位沉積SiC納米線。將浸漬后的多孔纖維預(yù)制體放在立式化學(xué)氣相沉積(CVD)爐中原位沉積SiC納米線。沉積SiC納米線的工藝條件為:以三氯甲基硅烷(MTS)為硅源；氬氣(Ar)作為稀釋氣體，稀釋比為30?90 ;氫氣作為載氣；沉積溫度為1000°C，爐內(nèi)壓強(qiáng)為-0.0lMPa，沉積時間2h。隨爐冷卻至室溫，實(shí)現(xiàn)向纖維預(yù)制體中引入SiC納米線。
[0033]步驟5:沉積SiC基體。將含SiC納米線的碳纖維預(yù)制體放入立式化學(xué)氣相沉積爐，采用CVI工藝制備SiC基體。沉積SiC基體的工藝條件為:以三氯甲基硅烷(MTS)為硅源；氬氣(Ar)作為稀釋氣體，稀釋比為9?11?；旌蠚怏w在溫度為