[發明專利]一種TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復合材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201110003731.8
• 申請日: 2011-01-10
• 公開（公告）號: CN102031466A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發明（設計）人: 陳玉勇;杜趙新;孔凡濤;肖樹龍;徐麗娟
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C22C49/11
• 分類號: C22C49/11;C22C49/14;C22C47/04;C22C47/20;C22C101/14;C22C121/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 韓末洙

技術領域

本發明涉及一種涂層碳纖維增強鈦基復合材料及其制備方法。

背景技術

碳化硅纖維具有良好的高溫性能、高強度、高模量和化學穩定性等特性，廣泛應用于宇航、船舶、導彈、兵器、原子能等高技術領域。碳化硅纖維的突出優點是耐高溫性，是目前使用增強材料中工作溫度最高的，用碳化硅纖維制備的先進復合材料能長期在高溫下工作。碳化硅長纖維增強鈦基復合材料的比強度和比剛度高、使用溫度高、抗疲勞和蠕變性能好，減重效果明顯，是提高航空發動機推重比、降低飛機燃油消耗、增加續航能力的一種新材料，在未來的航空航天領域將有很大的應用潛力。然而這種復合材料需要在高溫下真空壓制成型，鈦元素化學性質活潑，高溫下易與纖維發生較強界面反應，由此不可避免的纖維與基體之間發生界面反應，生成脆性界面產物，影響纖維與基體的界面結合性能，成為降低復合材料宏觀性能，阻礙其獲得應用的重要因素之一。在界面微觀機械性能中，界面強度對復合材料宏觀性能的好壞起決定性的作用。界面反應對鈦基復合材料界面強度具有非常重要的影響。隨著界面反應加劇，纖維與鈦合金基體化學結合緊密，相應的界面強度提高。鈦基復合材料的界面反應不能太弱，也不能太強。界面反應太弱，會導致界面強度偏低，嚴重削弱復合材料的橫向力學性能；反之，界面反應太強，界面強度較高，對其斷裂韌性和縱向抗拉伸強度不利。為了獲得合適的界面強度，阻止基體與纖維之間發生嚴重的界面反應，通常會對纖維表面進行涂層處理，以有效的改善浸潤性和組織過度的界面反應。纖維表面涂層可以與基體產生適度的反應，提高界面結合強度；同時也可阻止界面的過度反應，起著保護纖維的作用，以改善纖維與基體的化學相容性。另外涂層也能在界面提供一個過渡層，以緩和因纖維和基體熱膨脹系數和彈性模量等不同而產生的界面應力，以改善纖維與基體的物理相容性。

纖維與基體間的界面強度影響復合材料的性能。如果界面強度較低，復合材料在受力斷裂過程中，纖維容易發生脫粘、拔出；而界面強度高時，基體中裂紋前端的應力集中不能引起纖維脫粘，裂紋容易貫穿纖維，使纖維斷裂。由于纖維斷裂吸收的能量遠小于纖維脫粘和拔出時吸收的能量，所以材料呈現脆性。因此，纖維與基體間的界面強度太高或者太低均對復合材料的性能不好。

發明內容

本發明的目的是為了提供了一種TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復合材料及其制備方法，有效降低界面反應程度，得到適中的界面反應強度，同時可以有效控制鈦基體中的元素向纖維擴散所導致的TiN涂層碳化硅纖維增強復合材料的界面強度差的問題。

本發明的TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復合材料，由交替疊放的箔材和TiN涂層碳化硅纖維布真空熱壓成型制得，所述TiN涂層碳化硅纖維布的TiN涂層的厚度為1～3μm，TiN涂層是通過磁控濺射技術涂覆至碳化硅纖維表面得到的，所述箔材為鈦箔、鈦合金箔或者鈦鋁合金箔。

本發明的TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復合材料的制備方法是通過以下步驟實現的：一、將碳化硅纖維單層定向排布后將兩端固定，然后浸于無水乙醇中超聲清洗5～20min，然后用去離子水清洗后烘干得到碳化硅纖維布，其中定向排布時控制單根纖維間距為50～150μm；二、將箔材去除表面氧化層，然后放入腐蝕溶液中浸泡0.5～1min，再將箔材在無水乙醇中超聲清洗10～30min，然后烘干，所述箔材為鈦箔、鈦合金箔或者鈦鋁合金箔；三、將步驟一得到的碳化硅纖維布放置于磁控濺射儀的真空室內，抽真空至10^-2～10^-3Pa，然后向真空室內通入氮氣至真空室內壓強為1～2Pa，設定電流為50～100A，進行磁控濺射0.5～1h，即得TiN涂層碳化硅纖維布，其中靶材為鈦靶；四、將步驟三得到的TiN涂層碳化硅纖維布與步驟二處理后的箔材交替疊放后置于石墨模具中，再將石墨模具置于真空熱壓設備中，控制設備真空度為10^-3～10^-2Pa，然后在850～1000℃、40～100MPa條件下保溫熱壓0.5～2h，然后隨爐冷卻，即得到TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復合材料。

本發明的TiN涂層碳化硅纖維增強鈦基復合材料具有很好的界面性能，較無涂層碳化硅纖維制備的復合材料，本發明的復合材料的界面反應程度顯著降低，拉伸強度有了很大的提高。

本發明中TiN涂層碳化硅纖維布表面的TiN涂層可以有效地阻止碳化硅纖維與鈦基體間的界面反應程度及碳化硅纖維與鈦基體間的元素擴散，纖維與基體不發生直接反應，獲得良好的材料性能，與無涂層碳化硅纖維增強鈦基復合材料相比，界面反應程度顯著降低，復合材料的拉伸強度得到提高。