[發明專利]一種單向纖維束增強ZrB2

在審

• 申請號: 202011074089.8
• 申請日: 2020-10-09
• 公開（公告）號: CN112174685A
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發明（設計）人: 呂曉旭;焦健;周怡然;齊哲;姜卓鈺;楊金華;劉虎
• 申請（專利權）人: 中國航發北京航空材料研究院
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/58;C04B35/571;C04B35/565
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 杜永保

本發明屬于纖維增強陶瓷基復合材料的制備技術，涉及一種單向纖維束增強ZrB₂?SiC復合材料的制備方法。該方法中，首先將碳纖維或者碳化硅纖維束單向平行放置于沉積爐中，沉積界面層，然后將兩種前驅體混合均勻，并將沉積界面層后的纖維束浸漬于混合前驅體中，隨后將浸漬后的纖維束放置于管式爐中，高溫處理，隨后重復浸漬步驟，得到不同致密度的復合材料，隨后采用化學氣相沉積工藝沉積涂層，得到表面含封閉層的纖維束增強ZrB₂?SiC陶瓷基復合材料。該方法工藝簡單、周期短、可設計性強。

技術領域

本發明屬于纖維增韌陶瓷基復合材料的制備技術，涉及一種單向纖維束增強ZrB₂-SiC復合材料的制備方法。

背景技術

連續纖維增強陶瓷基復合材料(CFRCMCs)不僅具備陶瓷材料的耐高溫、耐腐蝕、抗蠕變等特點，而且由于引入纖維作為增強體能夠最大程度上抑制陶瓷材料內部缺陷的體積效應，有效的偏轉傳遞過來的裂紋并且在最終產生纖維拔出效應消耗斷裂能量，繼而發揮纖維的補強增韌作用。SiC_f/SiC復合材料因其在極端環境中，能夠保持優異的高溫力學性能、抗氧化性、熱穩定性而成為最有希望應用的高溫抗氧化結構材料。

硼化鋯(ZrB₂)具有高熔點、高熱導率和低揮發率等優異特性，是超高溫抗燒蝕部件的候選材料。ZrB₂的高溫抗氧化性受使用溫度影響很大，低于1100℃氧化生成的B₂O₃具有流動性能夠形成保護層，可以提高材料抗氧化性；高于1100℃，B₂O₃蒸氣壓變大，揮發性增大形成微小的孔洞，難以降低氧的擴散，抗氧化性有所降低；在1400℃以上，B₂O₃蒸發速率與生成的速率相當；當溫度接近1860℃時，B₂O₃劇烈揮發，生成的氧化物膜出現大量孔隙，氧元素能夠進入材料內部，導致材料的抗氧化性能出現驟降。因此，為了使ZrB₂的使用溫度能夠達到1800℃以上，需要對其進行基體改性以提高其氧化使用溫度。ZrB₂-SiC復相陶瓷基體的使用可以提高材料在1300～1500℃的抗氧化性能。在高溫氧化過程中，表面生成氧化物層阻擋氧的擴散，外層為B₂O₃-SiO₂玻璃熔融層，內層為富ZrO₂層。外層玻璃熔融層具有很好的流動性，能夠在材料表面形成薄且連續的氧化層，從而提高ZrB₂的高溫抗氧化性能，可滿足1000～2200℃寬溫域使用。同時ZrB₂-SiC復合材料強度高達1000MPa，在30s時間內從室溫升至2200℃仍然能夠保持完整，抗熱震性能優異。

纖維和界面層是陶瓷基復合材料中兩個重要的組成部分。纖維的力學性能直接決定復合材料的最終力學性能，而界面層對纖維的增韌效果具有非常重要的影響。纖維力學性能的評價指標主要考慮其拉伸性能及其分布。單向纖維束增強復合材料是一種以實際復合材料為基礎進行簡化的模型復合材料。單向纖維束復合材料結構簡單，對于研究界面層的作用機理，優化材料的制備工藝以提高復合材料綜合性能方面具有快速而有效的特點。

目前通常采用PIP和CVI工藝制備纖維增強的陶瓷基復合材料。Yu等采用CVD法在KD-I碳化硅纖維上制備了(PyC/SiC)_n多層涂層，采用PIP工藝制備三維KD-I-SiC_f/SiC復合材料。Boakye等采用PIP工藝，以SMP-10為前驅體制備了Hi-Nicalon-S/α-Y₂Si₂O₇/SiC纖維束復合材料。Petroski等采用CVI工藝，在常壓下制備了SiC纖維束復合材料。Bertrand等采用化學氣相滲透工藝制備了Hi-Nicalon/SiC纖維束復合材料。目前制備的纖維束增強復合材料基體通常為SiC，限制了其最高使用溫度，同時制備周期較長，基體孔隙率較高，抗氧化性較差。