[發(fā)明專利]一種氮化硅纖維增強陶瓷基復合材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110870006.4
• 申請日: 2021-07-30
• 公開（公告）號: CN113698219B
• 公開（公告）日: 2023-01-13
• 發(fā)明（設計）人: 張術偉;門薇薇;蘇韜
• 申請（專利權(quán)）人: 中國航空工業(yè)集團公司濟南特種結(jié)構(gòu)研究所
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/14;C04B35/628;C04B35/622;C04B35/84
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 杜永保

本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)?功能一體化陶瓷基復合材料技術領域，特別是涉及到一種氮化硅纖維增強陶瓷基復合材料及其制備方法。復合材料由三部分組成分別為：氮化硅纖維、石英基基體和纖維與基體間界面涂層組成，石英基基體成分為氧化硅、氧化鋁和氧化硼，按照氧化硅:氧化鋁:硼酸的質(zhì)量比為70％～90％:23％～8％:2％～7％的配比混合，界面涂層為硅?鋁?氧涂層和硅?氮?氧涂層其中一種或兩種的組合。從而進一步提高復合材料的高溫力學性能保留率。實現(xiàn)在高馬赫飛行條件下對復合材料耐高溫、高可靠、可重復使用的目標，滿足臨近空間高超聲速飛行器的天線窗口材料的使用要求。

技術領域

本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)-功能一體化陶瓷基復合材料技術領域，特別是涉及到一種氮化硅纖維增強陶瓷基復合材料及其制備方法。

背景技術

透波材料的研究開始于二十世紀四五十年代，早期的透波材料以樹脂和樹脂基復合材料為主，應用對象多為低馬赫數(shù)的導彈天線罩。隨著導彈向高馬赫數(shù)和高機動方向發(fā)展，對天線罩透波材料的耐熱性和高溫承載等性能提出了更高的要求，陶瓷透波材料逐漸成為研究重點，并逐漸從氧化物體系向氮化物體系轉(zhuǎn)變，材料體系則向復相陶瓷及陶瓷基復合材料方向發(fā)展。耐高溫透波材料的發(fā)展歷程先后經(jīng)過微晶玻璃、單相陶瓷、復相陶瓷再到連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料。單相陶瓷和復相陶瓷本質(zhì)上仍然是脆性材料，存在韌性差、大尺寸構(gòu)件難成型及可加工性較差等缺點，尤其是抗熱震性能已成為制約單相及復相陶瓷類高溫透波材料進一步應用的瓶頸。二十世紀八十年代以來，隨著高超聲速飛行器、再入飛行器以及臨近空間作戰(zhàn)飛機研制需求的提出，天線罩的耐高溫性能、抗沖擊性、耐熱氧化、可靠性和可重復使用性能面臨極大挑戰(zhàn)，連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料逐漸成為高熱力狀態(tài)下天線窗口材料的主要選擇。

現(xiàn)在主要的技術方案為石英纖維增強石英陶瓷基復合材料和氮化物纖維增強氮化物陶瓷基復合材料兩個體系。

石英纖維增強石英陶瓷基復合材料較為成熟，該材料采用溶膠-凝膠工藝，首先將溶膠浸漬纖維預制體，溶膠經(jīng)過陳化在一定條件下轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂腥S空間結(jié)構(gòu)的凝膠，之后再經(jīng)過干燥和燒結(jié)流程，制備出陶瓷基復合材料。目前大多數(shù)石英纖維增強石英陶瓷基透波天線罩材料是采用溶膠-凝膠工藝制備的。該材料體系的優(yōu)點是：原材料石英纖維和氧化硅溶膠都完全實現(xiàn)國內(nèi)自主可控，制備工藝相對簡單，對設備要求不高；缺點是：(1)石英纖維耐高溫性能較低，在復合材料制備過程中，需要高溫燒結(jié)，對纖維力學性能產(chǎn)生很大影響；(2)該復合材料力學性能較低，主要表現(xiàn)在室溫力學強度較低，高溫力學性能保留率不高，難以在1000℃以上長時間使用或重復性使用，不能滿足現(xiàn)在臨近空間飛行器高馬赫數(shù)長時間使用以及重復性使用的要求。

氮化硅纖維增強氮化物陶瓷基復合材料往往采用先驅(qū)體浸漬裂解工藝制備而得，該工藝是將纖維預制體或者多孔材料充分浸漬于有機先驅(qū)物中，浸漬完成后在一定溫度下發(fā)生交聯(lián)固化，最后轉(zhuǎn)入到裂解爐中在一定的溫度和氣氛下裂解。經(jīng)裂解反應后，有機先驅(qū)體轉(zhuǎn)化為陶瓷基體，再對基體進行進一步燒結(jié)，進而得到纖維增強陶瓷基復合材料。.該復合材料的缺點主要有三個：(1)由于氮化物纖維受到國外技術封鎖，國內(nèi)高質(zhì)量氮化物纖維近兩年才去的突破性進展，導致氮化物纖維增強陶瓷基復合材料研究進展慢的主要原因；(2)氮化物纖維與氮化物基體之間在高溫燒結(jié)制備過程中容易在纖維和基體界面發(fā)生界面反應，使纖維和基體發(fā)生強結(jié)合，使復合材料在破壞過程中發(fā)生脆性斷裂。

(1)本發(fā)明選用耐溫性高的氮化硅纖維作為增強材料，采用氮化硅纖維展寬布疊層縫合工藝制備氮化硅纖維預制體作為復合材料的增強體。氮化硅纖維展寬布，大大減少纖維束之間的勾聯(lián)，可有效提高纖維布的拉伸強度，進而提高復合材料的抗拉強度。

(2)通過增強體氮化硅纖維表面界面涂層的制備，可有效的修復纖維表面微裂紋，提高纖維的強度，同時使纖維和基體之間形成“弱界面”結(jié)合狀態(tài)，避免復合材料發(fā)生脆性斷裂，涂層為耐高溫性涂層可提高復合材料的高溫力學性能。

(3)采用氧化硅溶膠、氧化鋁溶膠和硼酸為原料，通過混合溶膠的配制，在保證陶瓷復合材料基體材料電性能的前提下，提高石英基體的耐溫性和基體的自修復能力。