一种磷酸铈改性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磷酸铈改性碳化硅纤维增强碳化硅复合材料及其制备方法。所述方法：(1)在碳化硅纤维预制体的表面交替制备磷酸铈界面层和碳化硅界面层直至达到预定厚度或预定层数，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步骤和裂解步骤；(3)至少重复步骤(2)一次，制得多孔碳化硅纤维预制体；和(4)将制得的多孔碳化硅纤维预制体进行液硅熔渗反应，制得磷酸铈改性碳化硅纤维增强碳化硅复合材料。本发明专利技术制得的磷酸铈改性碳化硅纤维增强碳化硅复合材料具有优异的抗氧化性能、耐温性能以及抗热冲击性能等，高温下综合性能优异、使用寿命长。

A Cerium Phosphate Modified Silicon Carbide Fiber Reinforced Silicon Carbide Composite and Its Preparation Method

The invention relates to a cerium phosphate modified silicon carbide fiber reinforced silicon carbide composite material and a preparation method thereof. The method comprises: (1) alternately preparing cerium phosphate interface layer and silicon carbide interface layer on the surface of silicon carbide fiber preform until the predetermined thickness or number of layers are reached, and preparing modified silicon carbide fiber preform; (2) impregnating modified silicon carbide fiber preform with carbon precursor solution, and then solidifying and splitting the impregnated modified silicon carbide fiber preform in turn; (3) to Porous silicon carbide fiber preforms were prepared with less repetition steps (2) once, and (4) cerium phosphate modified silicon carbide fiber reinforced silicon carbide composites were prepared by liquid silicon infiltration reaction of the prepared porous silicon carbide fiber preforms. The cerium phosphate modified silicon carbide fiber reinforced silicon carbide composite prepared by the invention has excellent oxidation resistance, temperature resistance and thermal shock resistance, and has excellent comprehensive performance and long service life at high temperature.

【技术实现步骤摘要】
一种磷酸铈改性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
，尤其涉及一种磷酸铈改性碳化硅纤维增强碳化硅复合材料及其制备方法。
技术介绍
航空发动机被称为工业皇冠上的明珠，目前发动机热端部件采用的是高温合金材料，但随着发动机推重比要求的提高，该类材料已经到了使用极限。碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC/SiC陶瓷基复合材料)因其高强度、密度低、耐高温等特性，被认为是替代高温合金材料的理想材料。SiC/SiC陶瓷基复合材料的密度只有高温合金材料的三分之一，且能够抵抗更高温度的热氧化环境，能明显提升发动机的推重比，满足未来航空和空天飞行器的服役环境要求。SiC/SiC陶瓷基复合材料主要由碳化硅纤维(SiC纤维)、纤维界面层、碳化硅陶瓷基体(SiC陶瓷基体)以及外表面涂层等部分组成。其中纤维界面层尤为重要，能够在SiC纤维和SiC陶瓷基体之间起良好的过渡作用。现阶段常用的纤维界面层是热解碳(PyC)界面层和氮化硼(BN)界面层；由于PyC和BN特殊的层状结构，这两类界面层材料在应力作用下晶体间能发生微小滑移，从而实现偏转陶瓷基体产生的裂纹和释放能量的作用，保持复合材料具有良好的力学性能和韧性。通常采用PyC界面层或BN界面层的复合材料与无界面层的SiC/SiC复合材料相比，其力学性能会相差3～5倍。由于发动机使用时处在超高温有氧环境，界面层的抗氧化能力变得十分重要，但由于PyC界面层和BN界面层自身抗氧化能力的不足，限制了材料的使用温度和使用寿命。PyC界面层在400℃以上就会因为氧化使复合材料性能下降，BN界面层在高于800℃的氧化环境中性能也会损失。随着航空发动机对陶瓷基复合材料的性能要求的提高，目前的陶瓷基复合材料的耐温性能、抗氧化性能以及高温下的力学性能等均有待进一步提高。因此需要开发新的纤维界面层来提升SiC/SiC复合材料的性能，以满足未来航空发动机更高温度、更严酷氧化环境的使用需求。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的技术问题，本专利技术提供了一种磷酸铈改性碳化硅纤维增强碳化硅复合材料及其制备方法。本专利技术制得的磷酸铈改性碳化硅纤维增强碳化硅复合材料具有优异的抗氧化性能、耐温性能以及抗热冲击性能等，高温下综合性能优异、使用寿命长。为了实现上述目的，本专利技术在第一方面提供了一种磷酸铈改性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)在碳化硅纤维预制体的表面交替制备磷酸铈界面层和碳化硅界面层直至达到预定厚度或预定层数，制得由交替制备的磷酸铈界面层和碳化硅界面层组成的复合界面层改性的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步骤和裂解步骤；(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，制得磷酸铈改性碳化硅纤维增强碳化硅复合材料。优选地，通过溶液浸渍法制备所述磷酸铈界面层，所述溶液浸渍法包括的步骤为：将所述碳化硅纤维预制体置于磷酸铈前驱体溶液中浸渍10～50min，然后将浸渍后的所述碳化硅纤维预制体依次经过干燥步骤和热处理步骤，从而在所述碳化硅纤维预制体的表面制得一层所述磷酸铈界面层。优选地，交替制备所述磷酸铈界面层和所述碳化硅界面层的次数为3～11次；和/或步骤(2)重复的次数为1～5次。优选地，通过化学气相沉积法制备所述碳化硅界面层，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；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0.5～10h。优选地，每层所述磷酸铈界面层的厚度为50～300nm；和/或每层所述碳化硅界面层的厚度为100～500nm。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。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磷酸铈改性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)本专利技术采用由磷酸铈/碳化硅交替组成的复合界面层作为SiC/SiC复合材料的纤维界面层，磷酸铈是一种典型的稀土磷酸盐，具有独居石结构，熔点高达2045℃，具备耐高温抗氧化的性能，在有氧环境的抗氧化性能优于BN界面层和PyC界面层，本专利技术制得的所述磷酸铈/碳化硅复合界面层能充分发挥复合界面层的优势，有效保护SiC纤维，且其中的磷酸铈具有优异的化学稳定性、极低的游离氧扩算速率以及氧扩散性能，能有效防止SiC纤维被氧化损伤，能有效提高SiC/SiC复合材料在有氧环境高温条件下的性能，使本专利技术制得的磷酸铈改性碳化硅纤维增强碳化硅复合材料具有优异的抗氧化性能、耐温性能以及抗热冲击性能等，高温下综合性能优异。(2)本专利技术通过在碳化硅纤维预制体的表面交替制备磷酸铈界面层和碳化硅界面层形成由磷酸铈和碳化硅交替组成的复合界面层作为SiC/SiC复合材料的纤维界面层，克服了磷酸铈晶体滑移性能较差、滑移性能不如PyC界面层和BN界面层的缺点，并且相比PyC界面层和BN界面层，本专利技术中的复合界面层由于磷酸铈与碳化硅之间的界面结合较弱，交替的复合界面层结构界面间滑移能够增强整个界面层的滑移能力，实现裂纹偏转，从而更有效地释放应力。本专利技术中的磷酸铈/碳化硅复合界面层能够明显改善SiC/SiC复合材料高温条件下的力学性能和韧性以及在空气中的抗氧化性能等，增加SiC/SiC复合材料的使用寿命，能够满足航空发动机以及未来空天飞行器发动机热端部件的耐温要求。附图说明本专利技术附图仅仅为说明目的提供，图2中改性碳化硅纤维预制体的尺寸不一定与实际产品一致。图1是本专利技术一个具体实施方式的制备流程图。图2是本专利技术中改性碳化硅纤维预制体的微观结构示意图。图中：1：碳化硅纤维预制体；2：磷酸铈界面层；3：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磷酸铈改性碳化硅纤维增强碳化硅复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磷酸铈改性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)在碳化硅纤维预制体的表面交替制备磷酸铈界面层和碳化硅界面层直至达到预定厚度或预定层数，制得由交替制备的磷酸铈界面层和碳化硅界面层组成的复合界面层改性的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步骤和裂解步骤；(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，制得磷酸铈改性碳化硅纤维增强碳化硅复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种磷酸铈改性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)在碳化硅纤维预制体的表面交替制备磷酸铈界面层和碳化硅界面层直至达到预定厚度或预定层数，制得由交替制备的磷酸铈界面层和碳化硅界面层组成的复合界面层改性的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步骤和裂解步骤；(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，制得磷酸铈改性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：通过溶液浸渍法制备所述磷酸铈界面层，所述溶液浸渍法包括的步骤为：将所述碳化硅纤维预制体置于磷酸铈前驱体溶液中浸渍10～50min，然后将浸渍后的所述碳化硅纤维预制体依次经过干燥步骤和热处理步骤，从而在所述碳化硅纤维预制体的表面制得一层所述磷酸铈界面层。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：交替制备所述磷酸铈界面层和所述碳化硅界面层的次数为3～11次；和/或步骤(2)重复的次数为1～5次。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：通过化学气相沉积法制备所述碳化硅界面层，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；所述碳化硅界面层的沉积温度为800～1200...

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