[發明專利]一種SiC纖維增強復合材料用SiBCN界面涂層及制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110323658.6
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN113173791B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 廖春景;董紹明;楊金山;靳喜海;胡建寶;陳小武;于峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/628
• 分類號: C04B35/628;C04B35/80;C04B35/565
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

本發明涉及一種SiC纖維增強復合材料用SiBCN界面涂層及制備方法和應用，所述SiBCN界面涂層的組分包括：Si的含量為0.70～7.90at%、B的含量為45.15～88.69at%、C的含量為0.45～15.74at%、N的含量為6.16～49.69at%。

技術領域

本發明涉及一種SiC纖維增強復合材料用SiBCN界面涂層及制備方法和應用，屬于復合材料界面相領域。

背景技術

SiC_f/SiC復合材料由于其具備低密度、高比強度和模量、優良的抗氧化及熱穩定性能等性能，是應用于航空發動機熱端結構部件取代高溫合金的最有前景材料，目前采用SiC_f/SiC復合材料已經成功應用于發動機渦輪外環、燃燒室內襯、尾噴管密封片等部件，這些部位需要長期經受高溫燃氣沖刷等復雜環境，對材料在高溫氧化環境下性能的穩定發揮提出了苛刻的要求。界面相作為整個SiC_f/SiC復合材料中體積含量占比最少的一部分，其對材料高溫性能的長期穩定發揮起著關鍵作用，因此開展對于界面相的研制顯得尤為重要。

根據已有研究報道，將Si元素引入至BN界面相中可以顯著改善BN界面相的抗氧化性能并且SiBN已經成功的應用于陶瓷基復合材料界面相并取得良好的力學傳遞效果，而SiBCN陶瓷其抗氧化性能優于Si₃N₄和SiC陶瓷，其相當于在SiBN三組元相陶瓷的基礎上再引入C元素，因此其具備良好的應用潛力作為陶瓷基復合材料界面相使用。目前制備SiBCN四組元相陶瓷的方法主要有聚合物裂解法、物理氣相沉積法、機械合金法和化學氣相沉積法等。其中聚合物裂解法由于裂解過程中有小分子溢出，容易在表面形成裂紋，采用此方法制備SiBCN涂層應用于纖維表面時環境中的氧容易通過裂紋直接接觸并氧化纖維；物理氣相沉積法雖然組成及原料可控，污染小，溫度低，但不適宜在纖維表面制備連續均勻的界面；機械合金法由于制備過程中需要熱壓燒結，燒結溫度高容易使SiC纖維受到熱損傷，同時僅適宜制備一些形狀簡單的試樣，不適宜在復雜結構件內外部均勻的制備SiBCN界面涂層；化學氣相沉積法/滲透(CVD/CVI)由于其具備沉積溫度低、對纖維熱損傷少、前驅體組分可控、可連續均勻制備等特性，是一種最有前景的制備SiBCN界面涂層的方法。

目前采用CVD法制備SiBCN界面涂層并應用于陶瓷基復合材料的報道很少。例如，中國專利1(申請號201310178800.8)公開了一種Si-B-C-N非晶陶瓷的化學氣相沉積方法，其是以SiCH₃Cl₃為硅源和碳源或者SiCl₄為硅源，BCl₃為碳源，NH₃為氮源，H₂作為載氣，氫氣和氬氣作為稀釋氣體，在碳纖維表面成功制備了SiBCN界面，但其并沒給出采用SiBCN作為界面涂層時材料性能的具體數值，根據專利中提及的工藝參數和條件無法確認所制備界面是否能夠滿足材料力學性能對于界面相的要求，另外專利中提及采用氫氣作為稀釋氣體，這在專利中提及的溫度及壓強范圍內無法有效均勻的對纖維進行界面相沉積，纖維表面容易副產物堆積。孫遜等在《Ceramics International》雜志上發表的“Effects of CVDSiBCN interphases on mechanical and dielectric properties of SiC_f/SiCcomposites fabricated via a PIP process”，其采用硼吖嗪和液態聚碳硅烷為前驅體，Ar作為載氣和稀釋氣體，于900℃，2KPa條件下成功的在KD-II SiC纖維表面制備了SiBCN界面并應用于復合材料中，雖然所制備的含SiBCN界面相材料抗氧化性能顯著，但是材料三點彎曲強度過低，不超過70MPa，力學性能遠未達到材料對于實際應用強度的要求。

發明內容