一种碳化钨界面层改性的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳化钨界面层改性的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料及其制备方法。所述方法包括：(1)通过化学气相沉积法在碳化硅纤维预制体的表面依次沉积一层碳化钨界面层和一层碳化硅界面层，制得改性碳化硅纤维预制体；(2)用碳前驱体溶液浸渍改性碳化硅纤维预制体，然后将浸渍后的改性碳化硅纤维预制体依次经过固化和裂解的步骤；(3)至少重复步骤(2)一次，制得多孔碳化硅纤维预制体；(4)将多孔碳化硅纤维预制体进行液硅熔渗反应，制得碳化钨界面层改性的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料。本发明专利技术制得的碳化钨界面层改性的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料的高温抗氧化性能、抗热冲击性能、抗水蒸气腐蚀性能等综合性能优异。

【技术实现步骤摘要】
一种碳化钨界面层改性的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料及其制备方法
本专利技术属于航空航天材料制备
，尤其涉及一种碳化钨界面层改性的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料及其制备方法。
技术介绍
目前，航空最先进的发动机涡轮叶片用材料主要是第三代单晶高温合金，其密度约为8～9g/cm3，极限使用温度为1100℃。为进一步提高涡轮前温度和减轻发动机重量，必须研发新型超轻高温材料。碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC/SiC复合材料)具有密度低、高温性能好、使用温度高等特点，其密度大约只有目前镍基高温合金的1/3，使用温度可达1500℃以上，被认为是未来高性能发动机的关键材料，是实现高推重比发动机的根本保障。SiC/SiC复合材料一般包括纤维预制体、纤维界面层和陶瓷基体；其中，SiC纤维预制体起骨架作用，负责承载材料的应力，陶瓷基体在高温条件下起到抗热冲击和抗氧化的重要作用，纤维界面层是连接纤维预制体和陶瓷基体的过渡材料，因其独特的层状结构，层间在应力作用下能够发生滑移，能够有效实现裂纹偏转和能量释放的作用。目前常用的界面层是热解碳(PyC)界面层和氮化硼(BN)界面层，其中PyC界面层在400℃氧化环境性能会明显下降；BN界面层对晶相要求严格，但BN界面层在高温下晶相容易发生转变，且BN界面层容易被水环境腐蚀，会限制SiC/SiC复合材料的使用。随着航空发动机对材料的抗热冲击性能、耐温性能以及抗氧化性能等要求的提高，需要开发新的纤维界面层来提升SiC/SiC复合材料的性能。
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碳化钨界面层改性的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料及其制备方法。本专利技术制得的碳化钨界面层改性的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料的高温抗氧化性能、抗热冲击性能以及抗水蒸气腐蚀性能等综合性能优异。为了实现上述目的，本专利技术在第一方面提供了一种碳化钨界面层改性的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)通过化学气相沉积法在碳化硅纤维预制体的表面依次沉积一层碳化钨界面层和一层碳化硅界面层，制得改性碳化硅纤维预制体；(2)用碳前驱体溶液浸渍步骤(1)制得的改性碳化硅纤维预制体，然后将浸渍后的所述改性碳化硅纤维预制体依次经过固化和裂解的步骤；(3)至少重复步骤(2)一次，制得多孔碳化硅纤维预制体；和(4)将步骤(3)制得的多孔碳化硅纤维预制体进行液硅熔渗反应，制得碳化钨界面层改性的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料。优选地，所述碳化钨界面层的厚度为200～1200nm；和/或所述碳化硅界面层的厚度为3～5μm。优选地，所述碳化钨界面层的沉积以碳化钨源物质为反应前驱体，所述碳化钨源物质包含碳源物质、钨源物质和氢气，所述碳源物质选自由甲烷、乙烷和丙烷组成的组，和/或所述钨源物质选自由六氟化钨、四氯化钨和含钨的有机金属化合物组成的组；和/或所述碳化硅界面层的沉积以碳化硅源物质为反应前驱体，所述碳化硅源物质选自由氯代甲基硅烷、硅烷、甲基硅烷和氟代甲基硅烷组成的组。优选地，所述碳化钨界面层的沉积温度为700～1200℃，所述碳化钨界面层的沉积压力为-0.09～-0.02MPa，所述碳化钨界面层的沉积时间为0.5～10h；和/或所述碳化硅界面层的沉积温度为800～1200℃，所述碳化硅界面层的沉积压力为-0.09～-0.01MPa，所述碳化硅界面层的沉积时间为10～100h。优选地，所述碳化硅纤维预制体的纤维体积分数为25～50％。优选地，所述碳前驱体溶液包含溶质和溶剂，所述溶质选自由酚醛树脂、糠酮树脂和糠醛树脂组成的组，和/或所述溶剂选自由乙醇、二甲苯和甲苯组成的组。优选地，所述碳前驱体溶液还包含造孔剂，所述造孔剂选自由聚乙烯醇、聚乙二醇和聚乙烯醇缩丁醛组成的组。优选地，在步骤(2)中，所述浸渍的温度为25～80℃，所述浸渍的压力为1～5MPa，所述浸渍的时间为0.5～4h；在步骤(2)中，所述固化的温度为100～350℃，所述固化的压力为3～5MPa，所述固化的时间为1～5h；在步骤(2)中，所述裂解的温度为700～1200℃，所述裂解的压力为-0.09～-0.01MPa，所述裂解的时间为2～4h；和/或步骤(2)重复的次数为1～5次。优选地，所述液硅熔渗反应的温度为1500～1700℃，所述液硅熔渗反应的压力为-0.09～-0.02MPa，所述液硅熔渗反应的时间为0.1～2h。本专利技术在第二方面提供了由本专利技术在第一方面所述的制备方法制得的碳化钨界面层改性的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料。本专利技术与现有技术相比至少具有如下有益效果：(1)本专利技术采用碳化钨界面层(WC界面层)作为SiC/SiC复合材料的纤维界面层，相比现有采用PyC界面层或BN界面层的SiC/SiC复合材料，由于碳化钨具有优异的化学稳定性、导热性能和摩擦性能，能有效提高SiC/SiC复合材料在高温条件下的性能，使得本专利技术制得的碳化钨改性的SiC/SiC复合材料具有优异的高温抗氧化性能、抗热冲击性能以及抗水蒸气腐蚀性能等，综合性能优异。(2)本专利技术制得的碳化钨改性的SiC/SiC复合材料中的WC界面层的热导率约为110W/(m·K)，比BN界面层具有更高的热导率，能够及时传递热量，防止纤维和基体接触的地方因热导率差异导致局部过热损害纤维，能更好地发挥纤维增韧作用；本专利技术所述WC界面层的摩擦系数低于BN界面层，比BN界面层更容易实现裂纹偏转；本专利技术所述的WC界面层在高温条件下，具有比PyC界面层更优的抗氧化性能，同时晶相稳定性比BN界面层更高，性能更稳定；此外，碳化钨的熔点高于2800℃，具有优异的抗热冲击性能和抗氧化性能，使得本专利技术制得的碳化钨改性的SiC/SiC复合材料有望服役于未来航空发动机更严酷的热环境。附图说明本专利技术附图仅仅为说明目的提供，图中碳化钨界面层改性的碳化硅纤维增强体的尺寸以及其在碳化硅陶瓷基体中的分布不一定与实际产品一致。图1是本专利技术中碳化钨界面层改性的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料的微观结构示意图。图中：1：碳化硅陶瓷基体；2：碳化硅纤维预制体；3：碳化钨界面层；4：碳化硅界面层。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碳化钨界面层改性的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)通过化学气相沉积法(CVD法)在碳化硅纤维预制体(SiC纤维预制体)的表面依次沉积一层碳化钨界面层(WC界面层)和一层碳化硅界面层(SiC界面层)，制得改性碳化硅纤维预制体；(2)用碳前驱体溶液(例如树脂前驱体溶液)浸渍步骤(1)制得的改性碳化硅纤维预制体，然后将浸渍后的所述改性碳化硅纤维预制体依次经过固化和裂解的步骤；(3)至少重复步骤(2)一次，制得多孔碳化硅纤维预制体；和(4)将步骤(3)制得的多孔碳化硅纤维预制体进行液硅熔渗反应，制得碳化钨界面层改性的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料。在本专利技术中，将多孔碳化硅纤维预制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳化钨界面层改性的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)通过化学气相沉积法在碳化硅纤维预制体的表面依次沉积一层碳化钨界面层和一层碳化硅界面层，制得改性碳化硅纤维预制体；(2)用碳前驱体溶液浸渍步骤(1)制得的改性碳化硅纤维预制体，然后将浸渍后的所述改性碳化硅纤维预制体依次经过固化和裂解的步骤；(3)至少重复步骤(2)一次，制得多孔碳化硅纤维预制体；和(4)将步骤(3)制得的多孔碳化硅纤维预制体进行液硅熔渗反应，制得碳化钨界面层改性的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种碳化钨界面层改性的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)通过化学气相沉积法在碳化硅纤维预制体的表面依次沉积一层碳化钨界面层和一层碳化硅界面层，制得改性碳化硅纤维预制体；(2)用碳前驱体溶液浸渍步骤(1)制得的改性碳化硅纤维预制体，然后将浸渍后的所述改性碳化硅纤维预制体依次经过固化和裂解的步骤；(3)至少重复步骤(2)一次，制得多孔碳化硅纤维预制体；和(4)将步骤(3)制得的多孔碳化硅纤维预制体进行液硅熔渗反应，制得碳化钨界面层改性的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碳化钨界面层的厚度为200～1200nm；和/或所述碳化硅界面层的厚度为3～5μm。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碳化钨界面层的沉积以碳化钨源物质为反应前驱体，所述碳化钨源物质包含碳源物质、钨源物质和氢气，所述碳源物质选自由甲烷、乙烷和丙烷组成的组，和/或所述钨源物质选自由六氟化钨、四氯化钨和含钨的有机金属化合物组成的组；和/或所述碳化硅界面层的沉积以碳化硅源物质为反应前驱体，所述碳化硅源物质选自由氯代甲基硅烷、硅烷、甲基硅烷和氟代甲基硅烷组成的组。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碳化钨界面层的沉积温度为700～1200℃，所述碳化钨界面层的沉积压力为-0.09～-0.02MPa，所述碳化钨界面层的沉积时间为0.5～10h；和/或所述碳化...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋环君，于艺，刘伟，王鹏，李晓东，金鑫，于新民，刘俊鹏，裴雨辰，
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