[發明專利]一種高抗應力開裂的SiCf

有效

• 申請號: 202110752247.9
• 申請日: 2021-07-02
• 公開（公告）號: CN113480320B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 闞艷梅;董紹明;陳小武;靳喜海;胡建寶;孫小凡
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/565;C04B35/622
• 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

本發明涉及一種高抗應力開裂的SiC_f/SiC陶瓷基復合材料及其制備方法。所述高抗應力開裂的SiC_f/SiC陶瓷基復合材料的制備方法包括：在碳化硅纖維預制體的纖維表面沉積界面層；在所述的覆有界面相的碳化硅纖維預制體中引入碳基體和氮化硅粉體，獲得SiC_f/C?Si₃N₄熔滲體；將Al?Si合金熔體在高溫下熔滲到SiC_f/C?Si₃N₄熔滲體中，經高溫原位反應生成AlN和SiC，得到高抗應力開裂的SiC_f/SiC陶瓷基復合材料。

技術領域

本發明涉及一種高抗應力開裂的SiC_f/SiC陶瓷基復合材料及其制備方法，屬于復合材料領域。

背景技術

碳化硅纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料(SiC_f/SiC)具有輕質高強、耐高溫、抗氧化、非脆性斷裂等優點，是新一代航空發動機熱端部件理想候選材料，可有效助力發動機實現高工作溫度、大推力、高推重比和低污染排放。材料的環境耐受性在很大程度上決定著SiC_f/SiC復合材料在航空發動機領域的應用成敗。SiC_f/SiC作為航空發動機熱端部件，工作環境異常嚴酷，高溫、高應力、強氧化。若材料環境耐受性不足，導致服役過程中出現內部氧化損傷，特別是纖維和界面相的氧化損傷，將嚴重縮減材料服役壽命，限制其在航空發動機熱端部件的應用。

反應熔滲法制備的SiC_f/SiC材料因周期短、成本低、材料致密度高、導熱性好、抗氧化性優異等特點，目前已成為航空發動機熱端部件用SiC_f/SiC最重要的制備方法。制備過程為：首先向纖維預制體中引入碳源，再在高溫下引入Si熔體與基體中的碳反應生成碳化硅陶瓷。由于Si與C的反應速率很快，易在C顆粒表面形成連續SiC致密層，而Si在SiC中的擴散系數極低(為10^-6cm²/s量級)，受反應動力學限制，反應難以完全進行，導致該方法制備的材料基體中不可避免地存在一定量的殘余硅(Si)和殘余碳(C)，基體強韌性相對不足，在材料高溫服役過程中易出現基體應力開裂。此時基體裂紋作為周邊環境氧化性氣體的快速擴散通道，加速材料內部纖維和界面相的氧化侵蝕。破壞材料弱界面結構的同時，導致纖維弱化。更為不利的是，基體開裂情況下基體與纖維間的應力載荷重新分配將使得纖維應力載荷顯著提高，大幅度加速纖維乃至材料整體的高溫蠕變失效。這給材料的環境耐受性和高溫服役壽命帶來致命影響。實際上我們就前人研究結果進行分析發現，對于兩種不同來源的反應熔滲SiC_f/SiC，即使二者所用纖維相同，拉伸強度相近，但若其基體抗應力開裂能力不同，則氧氣在材料中擴散進程和擴散程度不同，造成材料的氧化速率不同，最終導致材料的抗高溫疲勞壽命可能有近十倍以上的差距【Ted T.Kim,Shankar Mall,LarryP.Zawada, Fatigue behavior of Hi-Nicalon Type-STM/BN/SiC ceramic matrixcomposites in a combustion environment,Int.J.Appl.Ceram.Technol.,8:261-272,2011】。因此，如何對復合材料基體進行強韌化設計，以提高其抗應力開裂能力，增強材料環境耐受性，是航空發動機用SiC_f/SiC研發過程中必須密切關注的問題。但當前業界對此認知嚴重不足，國際上至今未在此方面開展必要的針對性研究，這在很大程度上制約著航空發動機用SiC_f/SiC復合材料的成功開發與應用。

發明內容

為了克服現有反應熔滲SiC_f/SiC復合材料基體的抗應力開裂能力不足，材料環境耐受性差的缺點。本發明利用異相彌散顆粒對陶瓷基體晶粒生長的抑制作用，細化基體晶粒，并結合其對裂紋擴展的偏轉和釘扎等效應，實現基體強韌化，提高基體抗應力開裂能力。