一种在纤维预制体上制备抗氧化复合界面层的方法和综合性能优异的复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种在纤维预制体上制备抗氧化复合界面层的方法和综合性能优异的复合材料及其制备方法。制备复合界面层的方法为：将纤维预制体置于沉积反应室内；在负压0.2～2kPa且温度900～1200℃下，通过CVD法在纤维预制体的表面沉积一层厚度为0.1～1.0μm的碳界面层；在负压0.2～2kPa且温度900～1200℃下，在所得到的碳界面层的基础上交替沉积厚度为0.1～1.0μm的碳化硅界面层和厚度为0.1～1.0μm的碳界面层，制得抗氧化复合界面层。本发明专利技术制得的复合界面层能有效调节纤维/基体之间的结合强度，提高复合材料的韧性、高温抗氧化性能和高温强度保留率；本发明专利技术能制得综合性能优异的复合材料。

【技术实现步骤摘要】
一种在纤维预制体上制备抗氧化复合界面层的方法和综合性能优异的复合材料及其制备方法
本专利技术属于复合材料的界面层的制备
，尤其涉及一种在纤维预制体上制备抗氧化复合界面层的方法和综合性能优异的复合材料及其制备方法。
技术介绍
连续纤维增强陶瓷基复合材料例如C/SiC复合材料结合了碳纤维优异的高温性能和碳化硅基体的高温抗氧化性能，在高温有氧环境得到广泛应用。连续纤维增强陶瓷基复合材料中纤维/基体界面与复合材料韧性的关系以及增韧的机理已得到普遍认同，即通过中间相界面层减弱纤维/基体结合强度，以利于纤维/基体脱粘、纤维拔出和滑移，从而提高复合材料的韧性。界面层的组成必须和纤维/基体化学相容，即纤维/界面层/基体能共存，无界面化学反应，整个体系的化学成分是热力学稳定的，或者在成型和使用过程中不发生降低强度和韧性的界面化学反应。目前纤维增强陶瓷基复合材料最常用的界面层是热解碳界面层。由于碳的抗氧化性能较差，是复合材料中的抗氧化薄弱环节，从而使材料的氧化最先从界面层开始，引起材料性能严重下降。为了克服单一碳界面层抗氧化能力差、高温易氧化的缺点，同时实现界面的增韧和保护纤维的作用，因此必须建立新的界面层。宋麦丽等在《界面改性对混杂基C/SiC复合材料性能的影响》中通过在纤维预制体的表面交替沉积了包含碳界面层和碳化硅界面层的多层界面涂层，但该文献并没有具体公开制备该多层界面涂层的制备参数；此外，采用该多层界面涂层作为中间相界面层的复合材料的断裂韧性、高温强度保留率等性能有待进一步提高(参见：宋麦丽,闫联生,扬星,等.界面改性对混杂基C/SiC复合材料性能的影响[J].固体火箭技术,2009,32(5):570-573.)。中国专利申请201611067991.0公开了在火焰稳定器预制体的表面采用化学气相沉积法制备(C-SiC)n复合材界面相的方法，该方法中，每层碳界面层和每层碳化硅界面层的沉积时间为60～100min，沉积时间长，界面相的制备时间长；此外，采用该方法制得的复合材界面相作为中间相界面层的复合材料的综合力学性能有待进一步提高。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的至少一个技术问题，本专利技术提供了一种在纤维预制体上制备抗氧化复合界面层的方法和综合性能优异的复合材料及其制备方法。本专利技术制得的抗氧化复合界面层能有效调节纤维/基体之间的结合强度，有效调节纤维/基体之间热膨胀系数不同导致的热应力，提高复合材料的韧性、高温抗氧化性能和高温强度保留率。为了实现上述目的，本专利技术在第一方面提供了一种在纤维预制体上制备抗氧化复合界面层的方法，所述方法包括如下步骤：(1)将纤维预制体置于沉积反应室内；(2)在沉积压力为负压0.2～2kPa且沉积温度为900～1200℃的条件下，通过化学气相沉积法在所述纤维预制体的表面沉积一层厚度为0.1～1.0μm的碳界面层；和(3)在沉积压力为负压0.2～2kPa且沉积温度为900～1200℃的条件下，通过化学气相沉积法在步骤(2)所得到的碳界面层的基础上交替沉积厚度为0.1～1.0μm的碳化硅界面层和厚度为0.1～1.0μm的碳界面层直至达到预定厚度或预定层数，制得由交替沉积的碳界面层和碳化硅界面层组成的所述抗氧化复合界面层。优选地，每层所述碳界面层和/或每层所述碳化硅界面层的沉积时间为5～30min。优选地，在沉积所述碳界面层的过程中，往所述沉积反应室内通入碳源气体；所述碳源气体包含反应气体和稀释气体，所述反应气体选自由甲烷、丙烷和乙烯组成的组，所述稀释气体选自由氮气和氩气组成的组，所述反应气体的流量为0.6～2L/min，所述稀释气体的流量为0.6～3L/min。优选地，在沉积所述碳化硅界面层的过程中，往所述沉积反应室内通入碳化硅源气体；所述碳化硅源气体包含三氯甲基硅烷、氩气和氢气，所述氩气的流量为1～3L/min，所述氢气的流量为0.5～2L/min，所述氢气与所述三氯甲基硅烷的摩尔比为(3～15):1。优选地，在步骤(3)中，交替沉积所述碳化硅界面层和所述碳界面层的次数为1～5次，优选为2～4次。优选地，沉积所述碳界面层和所述碳化硅界面层所采用的沉积温度为1000～1100℃。优选地，所述纤维预制体由碳化硅纤维或碳纤维制得。优选地，所述抗氧化复合界面层的总厚度为0.5～10μm；优选为1～3μm。本专利技术在第二方面提供了一种综合性能优异的复合材料的制备方法，所述方法以三氯甲基硅烷为反应气体、以氩气为稀释气体并且以氢气为载流气体，通过化学气相渗透法将制备有本专利技术在第一方面所述的方法制得的抗氧化复合界面层的纤维预制体致密化，制得所述综合性能优异的复合材料。本专利技术在第三方面提供了由本专利技术在第二方面所述的制备方法制得的综合性能优异的复合材料。本专利技术与现有技术相比至少具有如下有益效果：(1)本专利技术制得的抗氧化复合界面层克服了现有纤维预制体单一碳界面层的抗氧化性能差，高温易氧化及单层碳化硅界面应力集中易出现裂纹的缺点，提高了界面层在高温氧化条件中的稳定性，可有效保护纤维特别是碳纤维不被外界环境的氧化性组分所氧化，从而提高复合材料的高温抗氧化性能和高温强度保留率。(2)本专利技术制得的抗氧化复合界面层在保持纤维预制体(例如碳纤维预制体)常用的单层碳界面原有功能的同时，能有效调节纤维/基体之间的结合强度，有效调节纤维/基体之间热膨胀系数不同导致的热应力，有利于纤维/基体脱粘、纤维拔出和滑移，从而提高了复合材料的韧性。(3)本专利技术方法可在SiC基体通过化学气相渗透法与纤维预制体复合(CVI复合)之前，在CVI炉中原位生成所述抗氧化复合界面层，适合工业化规模生产。(4)本专利技术的一些优选实施方案中，碳界面层和碳化硅界面层的沉积温度与反应真空度相同，通过切换反应气体即可沉积不同体系的界面，具有速度快、制备时间短的特点，能在纤维预制体的表面高效快速制得抗氧化复合界面层，而通过短时沉积得到的多层碳/碳化硅高质量薄界面层可更有效的避免单一厚界面层带来的应力集中易出现裂纹的缺陷。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术在第一方面提供了一种抗氧化复合界面层的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)将纤维预制体置于沉积反应室(例如CVD炉或CVI炉)内；(2)在沉积压力为负压0.2～2kPa(例如0.2、0.5、0.8、1.0、1.5或2.0kPa)且沉积温度为900～1200℃(例如900℃、920℃、950℃、980℃、1000℃、1020℃、1050℃、1080℃、1100℃、1120℃、1150℃、1180℃或1200℃)的条件下，通过化学气相沉积法(CVD法)在所述纤维预制体的表面沉积一层厚度为0.1～1.0μm(例如0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95或1.0μm)的碳界面层(C界面层)；(3)在沉积压力为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在纤维预制体上制备抗氧化复合界面层的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)将纤维预制体置于沉积反应室内；(2)在沉积压力为负压0.2～2kPa且沉积温度为900～1200℃的条件下，通过化学气相沉积法在所述纤维预制体的表面沉积一层厚度为0.1～1.0μm的碳界面层；和(3)在沉积压力为负压0.2～2kPa且沉积温度为900～1200℃的条件下，通过化学气相沉积法在步骤(2)所得到的碳界面层的基础上交替沉积厚度为0.1～1.0μm的碳化硅界面层和厚度为0.1～1.0μm的碳界面层直至达到预定厚度或预定层数，制得由交替沉积的碳界面层和碳化硅界面层组成的所述抗氧化复合界面层。

【技术特征摘要】
1.一种在纤维预制体上制备抗氧化复合界面层的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)将纤维预制体置于沉积反应室内；(2)在沉积压力为负压0.2～2kPa且沉积温度为900～1200℃的条件下，通过化学气相沉积法在所述纤维预制体的表面沉积一层厚度为0.1～1.0μm的碳界面层；和(3)在沉积压力为负压0.2～2kPa且沉积温度为900～1200℃的条件下，通过化学气相沉积法在步骤(2)所得到的碳界面层的基础上交替沉积厚度为0.1～1.0μm的碳化硅界面层和厚度为0.1～1.0μm的碳界面层直至达到预定厚度或预定层数，制得由交替沉积的碳界面层和碳化硅界面层组成的所述抗氧化复合界面层。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：每层所述碳界面层和/或每层所述碳化硅界面层的沉积时间为5～30min。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在沉积所述碳界面层的过程中，往所述沉积反应室内通入碳源气体；所述碳源气体包含反应气体和稀释气体，所述反应气体选自由甲烷、丙烷和乙烯组成的组，所述稀释气体选自由氮气和氩气组成的组，所述反应气体的流量为0.6～2L/min，所述稀释气体的流量为0.6～3L/min。4.根据权利要求1所述的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，裴雨辰，李晓东，刘俊鹏，孙同臣，于新民，霍鹏飞，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11