一种多层界面涂层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种多层界面涂层及其制备方法和应用，所述多层界面涂层包括依次交替形成在所述基底表面的SiBN涂层和Si3N4涂层，所述SiBN涂层的层数n≥1，优选为2～5。

【技术实现步骤摘要】
一种多层界面涂层及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种多层界面涂层及其制备方法和应用，属于陶瓷基复合材料界面相领域。
技术介绍
连续纤维增强陶瓷基复合材料主要有C/C、C/SiC和SiC/SiC三大类，其具有低密度、耐化学腐蚀、高比强度、高比模量、优良的热稳定性能，目前在航空、航天、核能等领域应用广泛，相较于前两类复合材料，SiC/SiC复合材料由于采用了SiC纤维作为增强相，其相对于碳纤维拥有良好的抗氧化性能，因此是目前航空领域陶瓷基复合材料所主要采用的增强相，以航空发动机为例，目前采用SiC/SiC复合材料已经应用于发动机的尾喷管密封件及调节片、导向叶片、燃烧室内衬、涡轮外环等部件，这些部位需承受中温中等载荷，甚至承受高温中等载荷。对于处于高温高等载荷的转子叶片等，它所承受的环境更为苛刻，对陶瓷基复合材料的性能也提出了更高的要求。界面相作为陶瓷基复合材料中的重要组元，对于材料的整体性能起着至关重要的作用，所以越来越多的研究工作者将研究重点放在了对界面相组成、结构及制备方面。界面相在陶瓷基复合材料的使用过程中起着保护纤维免受氧化及化学侵蚀、传递载荷、防止纤维脆性断裂、缓解纤维和基体间热应力等重要作用，目前常用的界面相主要由PyC界面、BN界面、(C/SiC)n复合界面、(BN/SiC)n复合界面等界面，PyC界面由于其特殊的层状晶体结构赋予了其良好的性能，在承受载荷的过程中可以起到裂纹偏转的作用，可以良好的改善复合材料的强度和韧性，然而其在370℃便开始氧化，500℃大量氧化，氧化生成CO挥发掉，造成纤维和基体之间界面相的缺失，使得纤维基体之间结合过强，材料脆性断裂；BN界面作为另一种层状晶体结构材料，可以在更高温度下使用，氧化初始温度可以高达850℃，在干氧环境下，BN可以与氧气反应生成具有粘稠性的B2O3液体，具有一定的流动性，可以愈合材料中存在的裂纹和孔隙，阻止氧进一步进入材料内部，避免了材料的失效，提高了材料的使用温度和寿命；同时它还拥有良好的化学惰性，不会与绝大多数物质反应，是一种良好的界面相材料，然而在水氧环境下，BN界面极易水解生成HBO3、H3BO3等气态硼氢化物挥发掉，造成纤维基体间结合过强，材料失效。而(C/SiC)n复合界面和(BN/SiC)n复合界面虽然都可以提高材料的抗氧化性能，但是由于紧邻纤维表面的依然是传统的C、BN界面，所以当空气中的氧通过裂纹扩展到纤维表面时，C、BN界面会和氧气发生反应挥发掉，容易造成界面氧化水解失效，进而导致材料脆性断裂，材料无法长时间稳定的运行在高温潮湿有氧环境条件下。
技术实现思路
本专利技术为了克服上述传统单层界面(C、BN)及多层界面((C/SiC)n和(BN/SiC)n)所存在的抗氧化性能差、无法长时间保护材料免受水氧环境侵蚀等问题，制备出一种物理和化学兼容性良好、可应用于大型陶瓷基复合材料构件的(SiBN/Si3N4)n多层界面，还相应提供了一种制备工艺简单、可重复性操作、组成成份均匀、材料组成厚度及层数可控的制备方法。一方面，本专利技术提供了一种多层界面涂层，包括依次交替形成在所述基底表面的SiBN涂层和Si3N4涂层，所述SiBN涂层的层数n≥1，优选为2～5。在本专利技术中，选用SiBN作为紧挨着基底表面的界面涂层，该涂层具有层状结构材料的脱粘特征，可以保证和基体的紧密结合，裂纹在SiBN涂层(SiBN界面层)之间能够偏转和分叉，能够有效的传递载荷。而且，制备的SiBN涂层表面光滑致密，可以弥补纤维表面的缺陷，同时作为界面相与纤维结合可以同时满足界面相对于界面剪切强度、热膨胀系数、模量的要求，SiBN界面相在空气中氧化的时候低温下可以氧化生成B2O3，愈合裂纹，高温下可以氧化生成B2O3和SiO2，生成的B2O3和SiO2又可以发生化学反应生成硼硅酸盐，起到提高B2O3粘度的作用，防止了高温条件下B2O3进一步和水发生反应生成气态硼氢化物挥发掉；采用Si3N4涂层作为另一种涂层材料，其具有优异的抗氧化性能和低的热膨胀系数，与SiBN结合可以进一步降低由于热膨胀系数产生的热应力，制备的(SiBN/Si3N4)n界面相适合用作陶瓷基复合材料界面相。此外，本专利技术中制备的(SiBN/Si3N4)n界面为多层涂层结构，交替次数n优选为3到5。所制备的多层涂层具备优异力学特征，可以根据涂层的整体厚度来调节沉积的交替次数，制备的涂层可以有效的偏转基体中存在的裂纹，多个SiBN子层的存在增加了裂纹扩展的路径，裂纹可以在不同的SiBN子层之间偏转、分叉，从而吸收了更多的断裂能，赋予材料增强增韧特性；同时多个SiBN和Si3N4子层的存在可以实现氧化时对裂纹的有效愈合，SiBN涂层实现了低温氧化防御，Si3N4实现了高温氧化防御，两者相结合实现了对材料从外到内的逐级保护。较佳地，各个SiBN涂层的厚度为100～5000nm，各个Si3N4涂层的厚度为50～800nm。例如，实施例1中各子层SiBN涂层均为5μm以下，太厚涂层容易剥落。较佳地，所述SiBN涂层的厚度为Si3N4涂层1～15倍；优选地，所述SiBN涂层的厚度为Si3N4涂层的1～5倍，可以较大程度减缓由于涂层之间热膨胀系数的差异导致的裂纹产生。此外，当含有多个SiBN涂层(或多个Si3N4涂层)时，相同组分涂层之间的厚度可以不同。例如，靠近基底的SiBN涂层的厚度一般为Si3N4涂层的厚度的1～15倍，除紧邻纤维表面SiBN涂层厚度外，其余SiBN涂层的厚度为Si3N4涂层厚度的1～5倍。较佳地，所述多层界面涂层的总厚度≤15μm。较佳地，所述基底为纤维或纤维预制体，优选为碳纤维、SiC纤维、碳纤维预制体和SiC纤维预制体中的一种，更优选为SiC纤维二维叠层预制体、SiC纤维二维缝合预制体、碳纤维针刺预制体、碳纤维二维叠层预制体和碳纤维二维缝合预制体中的一种。另一方面，本专利技术还提供了一种如上述的多层界面涂层的制备方法，包括：将基底置于反应室中后，依次交替在基底表面沉积SiBN涂层和Si3N4涂层n次，得到所述多层界面涂层；所述SiBN涂层的沉积参数包括：反应前驱体为Si源、B源和N源，稀释气体为H2，沉积温度为700～950℃，沉积时间为10～120分钟，沉积压强为0.5～5KPa；所述Si3N4涂层的沉积参数包括：本底真空≤0.1Pa，反应前驱体为Si源和N源，稀释气体为H2，沉积温度为700～950℃，沉积时间为10～30分钟，沉积压强为0.5～5KPa。其中，氢气为稀释气体，沉积气氛为氢气氛围。较佳地，所述Si源通过稀释气体H2鼓泡的方式输送至反应室，所述B源和稀释气体H2混合后输送至反应室，所述N源单独输送至反应室；优选地，所述Si源的流量为10～40ml，B源的流量为10～20ml，N源的流量为40～120ml，所述稀释气体H2的流量为50～200ml。较佳地，所述Si源为SiCl4；所述B源为BCl3；所述N源为NH3。较佳地，所述沉积压强为0.5KPa～2KPa。较佳地，先以6～10℃分钟升温至700℃，再以1～5℃分钟升温至沉积温度。再一方面，本专利技术还提供了一种含有上述多层界面涂层的纤维增强陶瓷基复合材料。专利技术所述的方法制备的(SiBN/Si3N4)n多层界面可以应用于纤维增本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多层界面涂层，其特征在于，包括依次交替形成在所述基底表面的SiBN涂层和Si3N4涂层，所述SiBN涂层的层数n≥1，优选为2～5。

【技术特征摘要】
1.一种多层界面涂层，其特征在于，包括依次交替形成在所述基底表面的SiBN涂层和Si3N4涂层，所述SiBN涂层的层数n≥1，优选为2～5。2.根据权利要求1所述的多层界面涂层，其特征在于，各个SiBN涂层的厚度为100～5000nm，各个Si3N4涂层的厚度为50～800nm。3.根据权利要求2所述的多层界面涂层，其特征在于，所述SiBN涂层的厚度为Si3N4涂层1～15倍；优选地，所述SiBN涂层的厚度为Si3N4涂层的1～5倍。4.根据权利要求1-3中任一项所述的多层界面涂层，其特征在于，所述多层界面涂层的总厚度≤15μm。5.根据权利要求1-4中任一项所述的多层界面涂层，其特征在于，所述基底为纤维或纤维预制体，优选为碳纤维、SiC纤维、碳纤维预制体和SiC纤维预制体中的一种，更优选为SiC纤维二维叠层预制体、SiC纤维二维缝合预制体、碳纤维针刺预制体、碳纤维二维叠层预制体和碳纤维二维缝合预制体中的一种。6.一种如权利要求1-5中任一项所述的多层界面涂层的制备方法，其特征在于，包括：将基底置于反应室中后，依次交替在基底表面沉积SiBN涂层和Si3N4涂层n次，得到所述多层界面涂层；所述SiBN涂层的沉积参数包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖春景，董绍明，胡建宝，靳喜海，张翔宇，何平，丁玉生，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31