本发明专利技术涉及一种提高SiCf/Si‑B‑C自愈合陶瓷基复合材料抗高温水/氧侵蚀性能的方法，所述SiCf/Si‑B‑C自愈合陶瓷基复合材料包括Si‑B‑C基体和分布于Si‑B‑C基体中的SiC纤维，在Si‑B‑C基体中引入改性组分以提高所述SiCf/Si‑B‑C自愈合陶瓷基复合材料的抗高温水/氧侵蚀性能，所述改性组分为含Al、稀土元素的氧化物、硼化物和氮化物中的至少一种，优选为Al2O3和/或LaB6。
A Method for Improving the Water/Oxygen Erosion Resistance of SiCf/Si-B-C Self-healing Ceramic Matrix Composites at High Temperature
The present invention relates to a method for improving the high temperature water/oxygen corrosion resistance of SiCf/Si_B_C self-healing ceramic matrix composites. The SiCf/Si_B_C self-healing ceramic matrix composites include Si_B_C matrix and SiC fibers distributed in Si_B_C matrix. Modified components are introduced into Si_B_C matrix to improve the high temperature water resistance of the SiCf/Si_B_C self-healing ceramic matrix composites./ Oxygen erosion properties, the modified components are at least one of the oxides, borides and nitrides containing Al, rare earth elements, preferably Al2O3 and/or LaB6.
【技术实现步骤摘要】
一种提高SiCf/Si-B-C自愈合陶瓷基复合材料抗高温水/氧侵蚀性能的方法
本专利技术涉及一种提高SiCf/Si-B-C自愈合陶瓷基复合材料高温抗水/氧侵蚀性能的方法属于陶瓷基复合材料领域。
技术介绍
连续纤维增强SiCf/SiC陶瓷基复合材料具有低密度，耐磨损，高比强度，高比模量，耐高温，抗氧化，应力作用非脆性断裂等优点，被视为取代高温合金应用于下一代航空发动机的明星材料。由于受基体、纤维、界面之间CTE不匹配以及制备工艺等因素的限制，基体易出现许多微裂纹和微小连通气孔，高温情况下氧化介质会以此为通道，扩散进入内部，对界面层和纤维进行氧化而造成损伤。为了提高复合材料在氧化环境中的使用寿命，阻止或减缓氧的扩散，需要在SiC基体中引入含硼相(例如B4C)，在氧化过程中Si-B-C基体能够形成氧化物玻璃相(如B2O3，SiO2，SiO2-B2O3)，玻璃相在毛细管力作用下填充愈合裂纹，阻止氧气扩散，能在比较宽的温区(500～1200℃)保护复合材料。虽然SiCf/Si-B-C复合材料具有优异的抗氧化、裂纹愈合性能，然而在高温及水氧氧化条件下，SiO2和B2O3的挥发显著降低了复合材料的自愈合能力，减少SiCf/Si-B-C复合材料在该环境下的使用寿命。相关SOFC密封玻璃相稳定性研究发现，金属氧化物能够明显提高B2O3的稳定性。文献“TengZhang,QiZou.Tuningthethermalpropertiesofborosilicateglassceramicsealsforsolidoxidefuelcells.[J]EuropeanCeramicsocity32(2012)4009-4013”提到，金属氧化物SrO、BaO能显著提高B2O3的耐挥发性。此外人们在研究如何提高陶瓷的抗氧化性时发现，金属氧化物，或者某些金属元素的加入能显著提高S-B-C陶瓷的抗氧化能力：文献“GuangpingLiu,XuejunJin,etal.TheeffectofmicrosilicaontheoxidationresistanceofAl2O3-SiC-SiO2-CcastableswithSiandB4Cadditives.[J]CeramicsInternational42(2016)251-262”中提到Al2O3与B2O3和SiO2会分别生成Al18B4O33和纳米尺度的莫来石相，从而减少自愈合相挥发，提高材料抗氧化能力。文献“SanjibMajumdar,S.Burk,etal.AStudyonEffectofReactiveandRareEarthElementAdditionsontheOxidationBehaviorofMo-Si-BSystem.[J]OxidMet(2013)80:219-230”中提到，加入稀土元素的Mo-Si-B陶瓷体系氧化失重更小。公开号为CN103864451A的专利提出了一种向超高温陶瓷基复合材料中引入La、Y、Yb、Sc等稀土金属元素的方法，其主要目的在于减缓高温和强气流冲刷作用下，超高温陶瓷基复合材料SiO2保护层的挥发流失，并减少由于ZrO2、HfO2等氧化产物在温度变化过程中晶型转变而导致表面有效保护层产生的缺陷，从而开发一种具有可重复烧蚀性能的超高温陶瓷基复合材料。其引入的稀土元素主要针对超高温冲刷环境，无法解决Si-B-C基体体系，尤其是中低温阶段含硼自愈合组分在高温水氧环境下的抗侵蚀性。目前在纤维增强自愈合陶瓷基复合材料方面尚无改善SiCf/Si-B-C抗高温水氧侵蚀性能的方法。
技术实现思路
本专利技术针对SiCf/Si-B-C陶瓷基复合材料自愈合基体组分(SiO2和B2O3)两相难以混溶、在高温环境下易挥发缺点，目的在于提供一种提高自愈合玻璃相在高温水/氧环境下抗水氧侵蚀性的方法，进而提高SiCf/Si-B-C陶瓷基复合材料在高温水/氧环境下的使用寿命。一方面，本专利技术提供了一种提高SiCf/Si-B-C陶瓷基复合材料抗高温水/氧侵蚀性能的方法，所述SiCf/Si-B-C陶瓷基复合材料包括Si-B-C基体和分布于Si-B-C基体中的SiCf，在Si-B-C基体中引入改性组分以提高所述SiCf/Si-B-C自愈合陶瓷基复合材料的抗高温水/氧侵蚀性能，所述改性组分为含Al、稀土元素的氧化物、硼化物和氮化物中的至少一种，优选为Al2O3和/或LaB6。本专利技术通过向Si-B-C基体(Si-B-C自愈合基体)中引入改性组分(例如，含Al、稀土元素的氧化物、硼化物和氮化物等，优选为Al2O3和/或LaB6)，其中改性组分或其氧化产物能与Si-B-C基体的氧化产物反应生成稳定、难挥发的二元或三元化合物。具体机理包括：所述改性化合物(改性组分)或及其氧化产物既能与B2O3形成MxByOz相、又能与SiO2形成MxSiyOz相、同时能使B2O3、SiO2两不混溶的熔融相组网形成B-Si-M-O的化合物。一方面了提高Si-B-C基体氧化产生的玻璃相(如B2O3、SiO2和xB2O3*ySiO2)的粘度，提高O2的扩散阻力；另一方面，降低玻璃相熔体各组分的活度，减少自愈合熔体的挥发性及与高温水蒸气的反应性。本专利技术所述方法既保证微裂纹愈合能力，同时又提高氧化产物的耐高温水氧侵蚀性能，进而提高SiCf/Si-B-C自愈合陶瓷基复合材料的耐高温水氧侵蚀性能。较佳地，所述Si-B-C基体中含硼组分是指B、B4C或BN，含硅组分为SiC。较佳地，所述改性组分和Si-B-C基体的质量比为(1～30)：(70～99)。所述改性组分的掺杂量可满足经该化合物改性的Si-B-C基体的热膨胀系数接近于SiC纤维热膨胀系数的要求。经改性后基体的热膨胀系数与SiC纤维的热膨胀系数差异<20％，过高的热膨胀系数差异造成的热应力会过早导致基体开裂。较佳地，所述改性组分的引入方式为浆料浸渍或溶胶-凝胶，优选为浆料浸渍。又，较佳地，所述浆料浸渍包括：将B4C粉、SiC粉、改性组分粉体按质量比(1～30)：(40～69)：(1～30)混合后，再加入溶剂，得到浆料；将SiC纤维预制体在所得浆料中进行浸渍干燥后，再经致密化处理，得到SiCf/Si-B-C自愈合陶瓷基复合材料(SiCf/Si-B-C陶瓷基复合材料)。又，较佳地，所述溶胶-凝胶包括：将B4C粉、SiC粉、改性组分前驱体溶胶按质量比(1～30)：(40～69)：(1～30)混合后，再加入溶剂，得到浆料，所述改性组分前驱体溶胶为含Al、稀土元素的氧化物溶胶，优选铝溶胶；将SiC纤维预制体在所得浆料中进行浸渍，烘干后在500～800℃煅烧0.5～2小时，再经致密化处理，得到所述SiCf/Si-B-C陶瓷基复合材料。又，较佳地，所述致密化处理为化学气相渗透CVI、有机前躯体浸渍裂解PIP、反应溶渗RM、纳米渗透和瞬态共晶烧结NITE中的至少一种。上述致密化处理为常规致密化工艺即可完成，无需对致密化工艺进行特异改性。另一方面，本专利技术还提供了一种根据上述方法制备的SiCf/Si-B-C自愈合陶瓷基复合材料。本专利技术的特点是：1、本专利技术将改性组分——金属氧化物(Al2O3，La2O3等)，氮化物(AlN，TaN)，硼化物(AlB2，LaB6)及其能本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种提高SiCf/Si‑B‑C自愈合陶瓷基复合材料抗高温水/氧侵蚀性能的方法，所述SiCf/Si‑B‑C自愈合陶瓷基复合材料包括Si‑B‑C基体和分布于Si‑B‑C基体中的SiC纤维，其特征在于，在Si‑B‑C基体中引入改性组分以提高所述SiCf/Si‑B‑C自愈合陶瓷基复合材料的抗高温水/氧侵蚀性能，所述改性组分为含Al、稀土元素的氧化物、硼化物和氮化物中的至少一种，优选为Al2O3和/或LaB6。
【技术特征摘要】
1.一种提高SiCf/Si-B-C自愈合陶瓷基复合材料抗高温水/氧侵蚀性能的方法，所述SiCf/Si-B-C自愈合陶瓷基复合材料包括Si-B-C基体和分布于Si-B-C基体中的SiC纤维，其特征在于，在Si-B-C基体中引入改性组分以提高所述SiCf/Si-B-C自愈合陶瓷基复合材料的抗高温水/氧侵蚀性能，所述改性组分为含Al、稀土元素的氧化物、硼化物和氮化物中的至少一种，优选为Al2O3和/或LaB6。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Si-B-C基体中含硼组分为B、B4C或BN，含硅组分为SiC。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述改性组分和Si-B-C基体的质量比为（1～30）：（70～99）。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述改性组分的引入方式为浆料浸渍或溶胶-凝胶，优选为浆料浸渍。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述浆料浸渍包括：将B4C粉、SiC粉、改性组分粉体按...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡建宝，单庆亮，董绍明，张翔宇，阚艳梅，高乐，
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
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