一种具有双透波陶瓷涂层的纤维预制体及其制备方法技术

本发明专利技术公开了具有双透波陶瓷涂层的纤维预制体的制备方法，包括以下步骤：以环硼氮烷作为先驱体，采用化学气相沉积工艺在氮化物纤维表面沉积BN涂层，得到单涂层氮化物纤维；将所得单涂层纤维放入全氢聚硅氮烷(PHPS)溶液中浸渍完全后取出，室温挥发除溶剂，再转移至恒温恒湿箱水解转化，即可得到具有双透波陶瓷涂层的纤维预制体。该方法设备简单、工艺安全、成本低，所制备的透波纤维预制体耐高温、抗氧化、耐吸潮，有望应用于氧化物基透波复合材料的增强体。

A fiber preform with double transparent ceramic coating and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种具有双透波陶瓷涂层的纤维预制体及其制备方法
本专利技术属于高温电磁透波复合材料的制备领域，具体涉及一种具有双透波陶瓷涂层的纤维预制体及其制备方法。
技术介绍
高速度、长航时、高精度是新一代飞行器的发展趋势。作为飞行器关键电磁传输部件的天线罩/窗，将会面临长时间持续加热、受载的极端恶劣环境。目前为止，综合性能良好的高温透波材料品种并不多，只有连续纤维增强的陶瓷基透波材料才有望满足其使用要求。常见的高温透波纤维增强体主要有石英纤维、氧化铝纤维和氮化物纤维。石英纤维是目前商业化程度及产量最高的纤维，然而研究表明，石英纤维在800℃以上即开始析晶脆化，1000℃时其强度大幅下降，至1200℃强度已经完全丧失。氮化物纤维是以Si3N4、BN、SiBN、SiNO等为主相的新一代透波陶瓷纤维，相对于石英纤维其高温力学性能更佳，使得氮化物纤维增强陶瓷基透波复合材料具有优异的高温烧蚀性能、良好的高温力学性能和抗热震性能，是未来高温透波材料的主要发展方向。其中，氮化物纤维增强石英基(Nitridef/SiO2)透波复合材料有望满足高马赫数飞行器长时透波/防热/承载的要求。然而，Nitridef/SiO2复合材料通常采用溶胶-凝胶法制备，在烧成制备过程中氮化物纤维容易受到热损伤，且会与石英基体发生化学反应，导致其界面结合强度过高，严重影响材料的强度和断裂韧性。为有效发挥纤维增强复合材料的优势，在尽量降低增强纤维热损伤的同时，控制纤维和基体间的强界面结合，在纤维表面引入陶瓷界面相涂层是一种较为有效的方法。专利CN104926343A公开了一种含界面相的硅酸铝纤维增强氧化物陶瓷，将莫来石、硅酸铝、氧化铝中的一种或几种混合物制备溶胶先驱体，对表面沉积了碳涂层的硅酸铝纤维织物进行真空浸渍、凝胶化及高温陶瓷化，重复浸渍-凝胶化-陶瓷化过程10次提高致密度，最后氧化裂解碳界面相涂层，使硅酸铝纤维和基体之间形成间隙界面相，弱化界面结合，得到纤维增强的氧化物陶瓷。该方法的缺点是工艺过程较为复杂，需反复致密化10次，且碳界面相难以完全烧除，对材料透波性能影响很大。专利CN105016631A公开了一种沉积氮化硼涂层的石英纤维的制备方法，将水溶剂型氮化硼用去离子水进行稀释后，在石英纤维拉制过程中，对其表面进行涂覆处理，并以该石英纤维与氮化硅基体结合制备陶瓷基复合材料，引入的氮化硼界面相有效降低了石英纤维和氮化硅基体之间的强界面结合，改善了陶瓷的脆性。但该工艺使用的石英纤维耐温性有限，且氮化硼涂层易吸潮和氧化。因此，针对氮化物纤维增强石英基透波复合材料强界面结合问题，如何快速简单制备耐高温、抗氧化、抗水解的透波陶瓷涂层是一个仍需解决的难题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，针对氮化物纤维增强石英基透波复合材料强界面结合问题，提供一种制备工艺简单、耐高温、抗氧化、耐吸潮的具有双透波陶瓷涂层的纤维预制体及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种具有双透波陶瓷涂层的纤维预制体的制备方法，包括以下步骤：S1、将氮化物纤维放入沉积炉内，以环硼氮烷作为先驱体，采用化学气相沉积工艺在氮化物纤维表面沉积氮化硼涂层，得到单涂层纤维；S2、将步骤S1中所得单涂层纤维放入全氢聚硅氮烷溶液中，在密闭环境下浸渍直至单涂层纤维浸渍完全；S3、将步骤S2中浸渍完全的单涂层纤维取出，去除单涂层纤维上的全氢聚硅氮烷溶液的溶剂，转移至恒温恒湿环境中水解转化，在氮化硼涂层表面涂覆硅氮氧涂层，得到具有双透波陶瓷涂层的纤维预制体。作为对上述技术方案的进一步改进：所述步骤S1中，所述氮化物纤维为氮化硅纤维、硅氮氧纤维、氮化硼纤维和硅硼氮纤维中的一种或多种。更优选的，所述氮化物纤维为氮化硅纤维或硅氮氧纤维。优选地，所述步骤S1中，所述化学气相沉积工艺的具体步骤包括：在保护气体氛围下以5℃/min～25℃/min的升温速率加热至1000℃～1700℃后，抽真空，通入先驱体，沉积30min～120min，再抽真空，通入保护气体至常压，冷却至室温。更优选的，所述化学气相沉积工艺中，所述升温速率为10℃/min～15℃/min，沉积温度为1100℃～1300℃，沉积时间为45min～60min。优选地，所述步骤S1中，先通入先驱体的具体步骤为：采用鼓泡法利用载气将先驱体输送至沉积炉内，同时通入稀释气调节稳定气压。优选地，所述步骤S1中，载气流量为0.1L/min～1.0L/min，稀释气流量为0.5L/min～3.0L/min；所述环硼氮烷为液态，所述载气、稀释气和保护气体均为氮气。更优选的，所述载气流量为0.2L/min～0.6L/min，稀释气流量为1.0L/min～2.0L/min。优选地，所述步骤S1中，先驱体浓度为2.0vol.％～15.0vol.％。更优选的，所述先驱体浓度为3.0vol.％～10.0vol.％。所述步骤S1中，先驱体气罐气压为0.01MPa～0.8MPa，混合气罐气压为0.1MPa～1.0MPa。更优选的，所述先驱体气罐气压为0.05MPa～0.3MPa，混合气罐气压为0.2MPa～0.6MPa。所述步骤S2中，所述全氢聚硅氮烷溶液的溶剂为正丁醚，所述全氢聚硅氮烷溶液浓度为0.1wt％～20.0wt％，浸渍时间为2h～20h。更优选的，所述全氢聚硅氮烷溶液浓度为0.5wt％～3.0wt％，浸渍时间为4h～10h。所述步骤S3中，采用室温挥发去除单涂层纤维上的全氢聚硅氮烷溶液的溶剂，挥发时间为4h～24h。更优选的，所述室温除溶剂时间为12h～24h。所述步骤S3中，所述恒温恒湿环境的温度为50℃～150℃，湿度为50％～90％，水解转化时间为2h～48h。更优选的，所述恒温恒湿环境的温度为80℃～120℃，湿度为70％～90％，水解转化时间为8h～24h。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供具有双透波陶瓷涂层的纤维预制体，由前述制备方法制得，包括氮化物纤维、氮化硼涂层以及硅氮氧涂层，所述氮化硼涂层沉积在氮化物纤维表面，所述硅氮氧涂层涂覆在氮化硼涂层表面。本专利技术的原理在于：本专利技术基于化学气相沉积和全氢聚硅氮烷的水解转化工艺对氮化物纤维表面进行改性，该方法设备简单、工艺安全、成本低，有利于制备耐高温、抗氧化、耐吸潮的纤维预制体。采用化学气相沉积工艺在氮化硅纤维表面沉积BN涂层，然后利用全氢聚硅氮烷的水解转化在BN涂层表面生成SiNxOy新涂层，得到具有双透波陶瓷涂层的纤维预制体，后续可以利用该纤维预制体与氧化物基体制备界面结合适中的陶瓷基透波复合材料，大幅度提高该陶瓷基透波复合材料的综合性能。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术的一种具有双透波陶瓷涂层的纤维预制体及其制备方法，氮化物纤维表面直接结合的基底涂层是采用化学气相沉积工艺在氮化物纤维表面沉积得到层状结构的六方氮化硼涂层，同时在基底涂层表面利用全氢聚硅氮烷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有双透波陶瓷涂层的纤维预制体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、将氮化物纤维放入沉积炉内，以环硼氮烷作为先驱体，采用化学气相沉积工艺在氮化物纤维表面沉积氮化硼涂层，得到单涂层纤维；/nS2、将步骤S1中所得单涂层纤维放入全氢聚硅氮烷溶液中，在密闭环境下浸渍直至单涂层纤维浸渍完全；/nS3、将步骤S2中浸渍完全的单涂层纤维取出，去除单涂层纤维上的全氢聚硅氮烷溶液的溶剂，转移至恒温恒湿环境中水解转化，在氮化硼涂层表面涂覆硅氮氧涂层，得到具有双透波陶瓷涂层的纤维预制体。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有双透波陶瓷涂层的纤维预制体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将氮化物纤维放入沉积炉内，以环硼氮烷作为先驱体，采用化学气相沉积工艺在氮化物纤维表面沉积氮化硼涂层，得到单涂层纤维；
S2、将步骤S1中所得单涂层纤维放入全氢聚硅氮烷溶液中，在密闭环境下浸渍直至单涂层纤维浸渍完全；
S3、将步骤S2中浸渍完全的单涂层纤维取出，去除单涂层纤维上的全氢聚硅氮烷溶液的溶剂，转移至恒温恒湿环境中水解转化，在氮化硼涂层表面涂覆硅氮氧涂层，得到具有双透波陶瓷涂层的纤维预制体。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述氮化物纤维为氮化硅纤维、硅氮氧纤维、氮化硼纤维和硅硼氮纤维中的一种或多种。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述化学气相沉积工艺的具体步骤包括：在保护气体氛围下以5℃/min～25℃/min的升温速率加热至1000℃～1700℃后，抽真空，通入先驱体，沉积30min～120min，再抽真空，通入保护气体至常压，冷却至室温。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：通入先驱体的具体步骤为：采用鼓泡法利用载气将先驱体输送至沉积炉内，同时通入稀释气调节稳定气压。


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：李端，于秋萍，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43