以热解碳为界面相的莫来石纤维增强氧化铝陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术属于纤维增强氧化物陶瓷基复合材料领域，具体提供一种使用化学气相沉积法和溶胶‑凝胶法制备的以热解碳(PyC)为界面相的莫来石纤维编织预制体增强氧化铝陶瓷基复合材料及其制备方法。本发明专利技术的以热解碳为界面相的莫来石纤维增强氧化铝陶瓷，包括：基体、增强体以及设置于所述增强体表面的热解碳界面相。其中，所述基体为氧化铝，所述增强体为三维编织莫来石纤维预制体，所述界面相为热解碳(PyC)。所述界面相由在所述莫来石纤维表面沉积的PyC构成。本发明专利技术提供的以PyC为界面相的莫来石纤维增强氧化铝陶瓷，可以提高氧化铝陶瓷的断裂韧性，解决传统氧化铝陶瓷材料韧性差、容易发生脆性断裂的问题，同时还可以提高氧化铝陶瓷材料的损伤容限等，材料性能优异，能满足航空航天等领域对材料力学性能的需求。

Mullite fiber reinforced alumina ceramics with pyrolytic carbon as interface phase and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
以热解碳为界面相的莫来石纤维增强氧化铝陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及纤维增强氧化物陶瓷基复合材料领域，具体涉及一种以热解碳(PyC)为界面相的莫来石纤维增强氧化铝陶瓷及其制备方法。
技术介绍
随着高性能航空涡轮发动机的发展，涡轮进口温度不断提高，热端部件温度可达到1600℃以上，工作温度已远远超过高温合金的工作极限。非氧化物连续纤维增强非氧化物陶瓷基复合材料，在高温、含氧气和水分等服役环境下，容易发生氧化失效，甚至带来灾难性破坏。氧化物陶瓷基复合材料耐高温、抗氧化，不会因为氧化失效而形成灾难性断裂，并且该类复合材料成本相对较低，是应用于航空发动机热端部件的最有潜力的备选材料之一，其中氧化铝陶瓷就是其中的佼佼者，但其脆性大的缺点严重限制了它的应用。目前，关于氧化铝陶瓷增韧的方法有很多，纤维增韧就是一种使用较为广泛、效果比较显著的方法。纤维增韧氧化物陶瓷的断裂韧性出众，可以有效改善陶瓷材料的脆性断裂行为。而一般陶瓷表现为脆性断裂，主要就是因为在发生断裂时，材料表面或内部微裂纹尖端产生应力集中，裂纹扩展形成表面能以消耗能量，因而裂纹的扩展极其迅速，往往在瞬间就能使陶瓷材料发生灾难性破坏。而在陶瓷基体与纤维复合之后，微裂纹就能在基体与纤维交界处发生偏转从而吸收大部份能量，缓和应力集中，避免出现脆性断裂，同时纤维拔出、纤维桥联等现象也能吸收能量，有效的改善陶瓷材料的脆性。但是，在纤维增韧过程中注意到，纤维和基体在复合过程中有可能发生反应或者产生强结合界面，这样就失去了增韧的目的。例如，界面结合力过强，材料还是会发生脆性断裂行为；而界面结合力过弱，则会导致材料整体强度不高。此时，在陶瓷基体和增强纤维之间设计一种合适的界面相就显得尤为必要，一方面可以保护纤维免受陶瓷基体的侵蚀，另一方面，也能在陶瓷基体和纤维之间形成一个合适的结合强度，从而使复合陶瓷材料具有优良的弯曲强度，并显著提高其断裂韧性。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供以热解碳为界面相的莫来石纤维增强氧化铝陶瓷及其制备方法，以提高氧化铝陶瓷的断裂韧性，增强损伤容限，避免形成灾难性断裂。本专利技术提供的以热解碳为界面相的莫来石纤维增强氧化铝陶瓷，包括：基体、增强体以及设置于所述增强体表面的界面相；其中，所述基体为氧化铝，所述增强体为三维莫来石纤维编织物，所述界面相为热解碳(PyC)；所述界面相由在所述莫来石纤维表面沉积的PyC构成。优选的，所述增强体采用体积分数为30%~45%的三维莫来石纤维编织物。增强体采用的三维编织莫来石纤维，莫来石的体积分数30%~45%时，不仅具有高模量、高强度、耐高温等优良性能，而且具有很好的耐腐蚀性、抗氧化性以及电绝缘性，并具有较好的导热性能，可满足航空航天领域应用中抗瞬时高温热蚀的要求。优选的，所述PyC界面相的厚度为0.4~0.5μm。经大量试验验证，当PyC界面相的厚度为0.4~0.5μm时，可以起到较好的扩散屏障的作用，阻止三维莫来石纤维编织物增强体和氧化铝基体在高温下的扩散反应，保证基体和增强体之间合适的结合强度，增大材料的损伤容限，并使材料的断裂韧性最优，高温抗氧化性能较好。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供一种上述以热解碳为界面相的莫来石纤维增强氧化铝陶瓷的制备方法，包括以下步骤：步骤一：制备莫来石纤维预制体采用三维编织工艺，将莫来石纤维编织成所需形状及大小的纤维增强体；步骤二：制备PyC界面相采用化学气相沉积法，在化学气相沉积炉中通入PyC先驱体气体，在步骤一中所述的三维莫来石纤维编织物增强体表面沉积，得到所述PyC界面相，沉积完成，随炉冷却后取出；步骤三：制备氧化铝基体采用以PyC为界面相的莫来石纤维三维编织体为增强体，在增强体纤维间隙中，制备氧化铝陶瓷基体，形成以PyC为界面相的莫来石纤维增强氧化铝陶瓷。本专利技术提供的制备方法，通过三维编织工艺将莫来石纤维编织成任意所需形状的莫来石纤维预制体，能制备各种形状复杂的构件，具有近尺寸成型的优点，可以应用于航空航天等各领域；采用化学气相沉积法制备PyC界面相，界面相厚度较为均匀，界面相密度和纯度可以控制，工艺简单，操作方便；在以PyC为界面相的莫来石纤维的间隙中，制备氧化铝基体，即可制备成上述的损伤容限较大、断裂韧性优良、高温抗氧化性能较好、力学性能优良的以热解碳为界面相的莫来石纤维增强氧化铝陶瓷。本专利技术提供的制备方法，工艺简单，操作方便，原料易得，成本较低。优选的，所述步骤二中，所述PyC前驱体气体为丁烷，流量为1~3L/min；以氩气作为保护气体，流量为4~6L/min；沉积温度为800~1000℃，沉积的时间为6~18h。采用上述步骤可以制备得到厚度为0.4~0.5μm的PyC界面相，且PyC界面相厚度均匀，较为致密，而且沉积时间较短，沉积温度较低。优选的，所述步骤三具体包括，致密化步骤：用氧化铝溶胶对步骤二所制备的以PyC为界面相的三维编织莫来石纤维增强体进行真空浸渍，然后进行凝胶化，再经过高温热处理后，完成一次致密化过程。重复致密化步骤：重复所述致密化步骤15~18次，并最终高温陶瓷化后制得以热解碳为界面相的莫来石纤维增强氧化铝陶瓷预制体。采用溶胶凝胶法制备氧化铝基体，由于氧化铝溶胶中的溶剂分布较为均匀，因此，所制备的氧化铝基体较为均匀，且溶胶-凝胶法仅需要较低的合成温度，在较低的温度下无压烧结即可完成致密化过程，可以保护三维莫来石纤维编织物不受热损害，具有近尺寸成型的优点。同时在重复致密化步骤中采用前期低温热处理，后期高温陶瓷化处理的制备工艺，可以使高温对纤维的热损伤降到最低。最后重复致密化步骤15~18次，制备的复合陶瓷材料的密度基本上已经恒定，增重率小于1%，制备出致密化的陶瓷基复合材料预制体。优选的，所述真空浸渍的时间为0.5~1h。为了保证纤维增强体能够被溶胶充分浸渍，同时也为了节约时间，真空浸渍的时间为0.5~1h，而时间过长对改善材料性能并无较大的影响，而且会影响制备效率，浪费能源。优选的，所述凝胶化是在80~120℃的范围内，烘干5~8h。凝胶化的条件为80~12℃的范围内且烘干5~8h，这样是为了保证凝胶化过程中胶体不开裂。时间过长，温度过高，容易导致胶体开裂，而且会使溶胶从莫来石纤维预制体中溢出；而温度过低，则凝胶化需要的时间太长。优选的，所述高温陶瓷化处理为：将经所述凝胶化后的以PyC为界面相的三维莫来石纤维编织物增强体放入裂解炉中，除重复致密化步骤中最后一次陶瓷化外，其余若干次均在氩气氛围下以5~15℃/min的升温速率升温至600℃~800℃，保温1~1.5h，随炉冷却至室温后取出。最后一次高温陶瓷化则在氩气氛围下以5~15℃/min的升温速率升温至1100℃~1300℃，保温1~1.5h，随炉冷却至室温后取出。前期烧结温度为600℃~800℃，后期烧结温度为1100℃~1300℃是在保证溶胶中的羟基聚合铝离子能够完全转化为α-Al2O3的前提下，最大限度的减轻高温对三维编织莫来石纤维增强体的损伤，使得三维编织莫来石纤维增强体起到更明显的增强效果。升温速率采用5~15℃/min，材料内部与外表面受热较为均匀，不易产生热应力导致的裂纹。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中给出，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明图1为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以热解碳为界面相的莫来石纤维增强氧化铝陶瓷，其特征在于，包括：基体、增强体以及设置于所述增强体表面的界面相；其中，所述基体为氧化铝，所述增强体为三维编织莫来石纤维预制体，所述界面相为热解碳(PyC)；所述界面相由在所述莫来石纤维表面沉积的PyC构成。

【技术特征摘要】
1.一种以热解碳为界面相的莫来石纤维增强氧化铝陶瓷，其特征在于，包括：基体、增强体以及设置于所述增强体表面的界面相；其中，所述基体为氧化铝，所述增强体为三维编织莫来石纤维预制体，所述界面相为热解碳(PyC)；所述界面相由在所述莫来石纤维表面沉积的PyC构成。2.根据权利要求1所述的以热解碳为界面相的莫来石纤维增强氧化铝陶瓷，其特征在于，所述增强体采用体积分数为30%~45%的三维编织莫来石纤维预制体。3.据权利要求2所述的以热解碳为界面相的莫来石纤维增强氧化铝陶瓷，其特征在于，所述PyC界面相的厚度为0.4~0.5μm。4.一种如权利要求1~3中任一项所述以热解碳为界面相的莫来石纤维增强氧化铝陶瓷的制备方法，包括以下工艺步骤：步骤一：制备莫来石纤维增强体采用三维编织工艺将莫来石纤维制备成所需形状的三维莫来石纤维编织物增强体；步骤二：制备PyC界面相采用化学气相沉积法，在化学气相沉积炉中通入PyC先驱体气体，在步骤一中的所述三维莫来石纤维编织物增强体的表面沉积，得到所述PyC界面相，沉积完成，随炉冷却后取出；步骤三：制备氧化铝基体使用溶胶-凝胶法制备高固含量、低粘度的氧化铝溶胶，经过多次循环浸渍-烘干，并最终烧结后，形成以PyC为界面相的莫来石纤维增强氧化铝陶瓷。5.根据权利要求4所述的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘福田，耿广仁，程之强，周长灵，王开宇，杨芳红，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东,37