一种使用乙醇作为前驱体制备热解碳界面涂层的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用乙醇作为单一前驱体制备热解碳(Pyrolytic Carbon,PyC)界面涂层的方法，利用醇类物质较高的化学活性及羟基在气相反应中的作用，通过控制温度、气体总压、乙醇的滞留时间、乙醇分压、沉积时间五个参数水平来制备不同织构形态、沉积速率及厚度的PyC界面涂层。通过本发明专利技术的技术方案，解决了在制备SiC纤维表面PyC涂层过程中存在的沉积速率慢、成本高、织构形态不易控制等问题，同时实现在SiC纤维表面上沉积出均匀且厚度与织构形态可控的PyC界面涂层。

【技术实现步骤摘要】
一种使用乙醇作为前驱体制备热解碳界面涂层的方法
本专利技术属于碳化硅纤维增强碳化硅(SiCf/SiC)复合材料界面涂层制备
，尤其涉及一种利用乙醇作为单一前驱体在碳化硅(SiC)纤维表面沉积热解碳(PyC)界面涂层的制备方法。
技术介绍
SiCf/SiC复合材料因具有高的比强度和比模量、高温力学性能和抗蠕变性能优异等优点，在航空航天热结构部件中具有极其广泛的应用前景。然而，SiC陶瓷固有脆性极大，如何在保持SiC基体材料良好高温力学性能的同时，通过SiC基体和SiC纤维的协同作用实现复合材料韧性的显著提升已成为SiCf/SiC复合材料研究中的核心技术问题。针对这一问题，国内外研究者提出了许多解决方法，其中一种有效的方法是在SiC纤维表面引入特定成分和结构的界面涂层，从而充分地发挥界面脱粘、裂纹偏转和纤维拔出等增韧机制。其中，热解碳(PyC)界面层不仅具有细小的晶粒组织，能够修复SiC纤维的表面缺陷。而且，其特殊的层状结构不仅能够与SiC基体形成适当的界面结合力，而且可以促使裂纹偏转和纤维拔出，从而使得PyC成为SiC纤维界面涂层的理想材料。现有技术表明，通过烷烃类气体作为前驱体制备的PyC界面涂层能够有效地修复SiC纤维的表面缺陷，SiC纤维的平均抗拉强度提升26％；威布尔(Weibull)模数提升45％。同时，有技术表明，适当厚度的PyC界面涂层能够在保留SiCf/SiC复合材料强度的同时，大幅度地提高复合材料的韧性，极限弯曲强度最大提高了412％；具有典型层状结构高织构的粗糙层PyC界面涂层可以有效地发挥裂纹偏转的增韧机制，使SiCf/SiC的韧性有较大提升。然而，当前PyC界面涂层绝大多数是使用甲烷、乙烷或乙烯等小分子烷烃类气体作为前驱体，采用化学气相沉积(CVD)工艺来制备的。但是由于烷烃类气体的化学性质稳定，所以其沉积速率极为缓慢，并且由于C-H键的键能较高，不易控制CVD的气相反应过程，因此不容易控制最终得到的PyC织构形态。因此，有必要发展一种新型的前驱体来实现快速地制备PyC界面涂层，实现其在SiC纤维上的均为分布，并可以有效地调控PyC织构形态，进而显著改善SiCf/SiC复合材料的韧性。醇类物质中因为羟基(-OH)的存在削弱了C-H键的键能，因此其化学性质活泼。使用醇类作为前驱体时可以获得较快的沉积速率。另外，研究发现：醇类物质中的羟基可以参与CVD的气相反应过程，从而可以控制气相反应的产物。有研究通过化学热力学软件模拟并通过实验验证了羟基可以与CVD气相反应的中间产物—苯环发生反应，从而控制气相反应的产物，并且其反应速率及限度可以通过羟基在CVD系统中的滞留时间来控制。
技术实现思路
针对SiCf/SiC复合材料的强韧化技术问题，为了克服现有方法制备SiC纤维表面PyC涂层过程中存在的沉积速率慢、成本高、织构形态不易控制等不足，同时实现在SiC纤维表面上沉积出均匀且厚度与织构形态可控的PyC界面涂层。本专利技术提出一种利用乙醇作为前驱体制备热解碳界面涂层的方法，本专利技术的具体技术方案如下：一种利用乙醇作为前驱体制备热解碳界面涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将未经任何预处理的SiC纤维固定在模具上，周围用石墨纸包裹，放入箱式炉中进行退火热处理；S2：将经步骤S1处理后的SiC纤维进行超声清洗，除去纤维表面定形胶；S3：将经步骤S2处理后的SiC纤维再次放入箱式炉中快速烘干；S4：将经步骤S3处理后的SiC纤维固定在模具上，随后放入化学气相沉积系统中，以40～80ml/min的流速通入氩气作为保护气体，以5～10℃/min的升温速率将炉温从室温升至1150～1350℃；S5：通过鼓泡法将乙醇鼓入化学气相沉积系统中，鼓泡载气及保护气体均采用氩气；通过调节载气及保护气的流量从而调节总的气体流量，进而控制乙醇在化学气相沉积系统反应阶段的滞留时间；同理，通过调节载气及保护气的气体流量的比值，进而控制化学气相沉积系统中乙醇的分压；S6：沉积；在常压沉积中，总气体流量为3～7L/min；载气流量与保护气体流量比值为1:1～4:1，沉积时间为3h；在负压沉积中，使用真空泵将化学气相沉积系统维持在负压环境，总压保持在10～20Kpa；总气体流量为1～3L/min；载气流量与保护气体流量比值为1:1～3:1，沉积时间为3h；S7：沉积结束后，关闭电源，以100ml/min的流速通入氩气作为保护气体，自然冷却至室温，最终得到沉积均匀的不同厚度及织构形态的PyC界面涂层。进一步地，所述步骤S1中热处理条件为：热处理温度为650℃，保温时间为2h，炉内压力为101KPa，气氛为空气。进一步地，所述步骤S2中超声清洗时间为30min，清洗液为无水乙醇。进一步地，所述步骤S3中烘干处理温度为60℃，保温时间为30min。本专利技术的有益效果在于：1.以化学性质活泼的乙醇为原料，通过鼓泡法将乙醇引入CVD系统，结合常压及负压两种工艺条件均制备出分布均匀的PyC界面涂层，制备工艺简单可控，成本低，沉积速率快。2.乙醇中羟基的存在会影响CVD的气相反应阶段，并且影响程度取决于乙醇的滞留时间。因此，通过控制总体流量可以对CVD的气相反应阶段进行调控从而沉积出不同织构形态的PyC界面涂层。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本专利技术的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本专利技术进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：图1(a)是本专利技术中使用的实验气路及CVD系统示意图，图1(b)是本专利技术中使用的石墨模具结构图；图2是本专利技术实施例1制备的不同织构形态的PyC界面涂层的拉曼光谱；其中，(a)为制备的粗糙层PyC的拉曼光谱；(b)为制备的光滑层PyC的拉曼光谱；(c)为制备的再生层PyC的拉曼光谱；图3是本专利技术实施例1所制备的不同位置的PyC界面涂层的拉曼光谱缺陷峰半高宽及其对应的织构形态，其中，拉曼光谱缺陷峰半高宽小于90波数(cm-1)的为粗糙层，拉曼光谱缺陷峰半高宽在90-140波数(cm-1)的为光滑层，拉曼光谱缺陷峰半高宽大于140波数(cm-1)的为再生层；图4是本专利技术实施例1制备的带有不同织构PyC界面涂层的SiC纤维断面扫描电镜照片；其中，(a)为制备的粗糙层PyC的断面；(b)为制备的光滑层PyC的断面；(c)为制备的再生层PyC的断面；图5是本专利技术实施例2所制备的不同位置PyC界面涂层的拉曼光谱缺陷峰半高宽；图6是本专利技术实施例1及实施例2制备的带有PyC界面涂层的SiC纤维扫描电镜照片；其中，(a)为实施例1的带有PyC界面涂层的SiC纤维表面扫描图；(b)为实施例2的带有PyC界面涂层的SiC纤维表面扫描图。附图标号说明：1-第一压力表；2-第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用乙醇作为前驱体制备热解碳界面涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：将未经任何预处理的SiC纤维固定在模具上，周围用石墨纸包裹，放入箱式炉中进行退火热处理；/nS2：将经步骤S1处理后的SiC纤维进行超声清洗，除去纤维表面定形胶；/nS3：将经步骤S2处理后的SiC纤维再次放入箱式炉中快速烘干；/nS4：将经步骤S3处理后的SiC纤维固定在模具上，随后放入化学气相沉积系统中，以40～80ml/min的流速通入氩气作为保护气体，以5～10℃/min的升温速率将炉温从室温升至1150～1350℃；/nS5：通过鼓泡法将乙醇鼓入化学气相沉积系统中，鼓泡载气及保护气体均采用氩气；通过调节载气及保护气的流量从而调节总的气体流量，进而控制乙醇在化学气相沉积系统反应阶段的滞留时间；同理，通过调节载气及保护气的气体流量的比值，进而控制化学气相沉积系统中乙醇的分压；/nS6：沉积；/n在常压沉积中，总气体流量为3～7L/min；载气流量与保护气体流量比值为1:1～4:1，沉积时间为3h；/n在负压沉积中，使用真空泵将化学气相沉积系统维持在负压环境，总压保持在10～20Kpa；总气体流量为1～3L/min；载气流量与保护气体流量比值为1:1～3:1，沉积时间为3h；/nS7：沉积结束后，关闭电源，以100ml/min的流速通入氩气作为保护气体，自然冷却至室温，最终得到沉积均匀的不同厚度及织构形态的PyC界面涂层。/n...

【技术特征摘要】
1.一种利用乙醇作为前驱体制备热解碳界面涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将未经任何预处理的SiC纤维固定在模具上，周围用石墨纸包裹，放入箱式炉中进行退火热处理；
S2：将经步骤S1处理后的SiC纤维进行超声清洗，除去纤维表面定形胶；
S3：将经步骤S2处理后的SiC纤维再次放入箱式炉中快速烘干；
S4：将经步骤S3处理后的SiC纤维固定在模具上，随后放入化学气相沉积系统中，以40～80ml/min的流速通入氩气作为保护气体，以5～10℃/min的升温速率将炉温从室温升至1150～1350℃；
S5：通过鼓泡法将乙醇鼓入化学气相沉积系统中，鼓泡载气及保护气体均采用氩气；通过调节载气及保护气的流量从而调节总的气体流量，进而控制乙醇在化学气相沉积系统反应阶段的滞留时间；同理，通过调节载气及保护气的气体流量的比值，进而控制化学气相沉积系统中乙醇的分压；
S6：沉积；
在常压沉积中，总气体流量为3～7L/min；载气流量与保护气体流量比值为1:1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文浩，李露，徐昊，马朝利，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11