一种陶瓷纤维表面SiBN/SiBCN复合界面层的制备方法技术

本发明专利技术属于陶瓷基复合材料界面层的制备技术，涉及一种陶瓷纤维表面SiBN/SiBCN复合界面层的制备方法。本发明专利技术以氮化硅纤维、碳化硅纤维或氧化铝纤维等作为界面层沉积基底，有机聚合物聚硼硅氮作为前驱体，采用化学气相沉积工艺，在纤维表面制备SiBN/SiBCN复合界面层。本发明专利技术可以避免腐蚀性气体HCl的产生，从而减少高温沉积过程中纤维的结构缺陷和强度损伤，同时采用单一前驱体即可满足三种或四种组元界面层的制备，增加在纤维内部的渗透性，增强界面层的沉积均匀性。界面层的沉积均匀性。

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷纤维表面SiBN/SiBCN复合界面层的制备方法


[0001]本专利技术属于陶瓷基复合材料界面层的制备技术，涉及一种陶瓷纤维表面SiBN/SiBCN复合界面层的制备方法。

技术介绍

[0002]陶瓷纤维是一种具有高强度、高模量、耐高温、抗氧化、耐化学腐蚀等多种优异性能的纤维，可用作金属基以及陶瓷基复合材料的增强体，其强度和韧性对于陶瓷基复合材料的性能具有非常关键的作用。材料制备过程中，陶瓷纤维维持较高的损伤容限和强度是阻止裂纹扩展，实现强韧化的重要保证。
[0003]在陶瓷基复合材料中，陶瓷纤维和陶瓷基体的占比可达90％以上，界面层只占不到10％。但是，界面层对陶瓷基复合材料的性能起着决定性作用。沉积界面层前后纤维的复合材料能够明显增加。如沉积碳界面层后，相比于未沉积界面层的纤维，化学气相浸渍工艺制备的SiC
f
/SiC复合材料弯曲强度由100MPa增加到500MPa，性能改善非常明显。界面层不仅可以增强复合材料的韧性，同时还可以保护纤维，弥合纤维表面的裂纹，提高工艺过程中纤维的强度保留率。
[0004]目前，陶瓷基复合材料常用的界面层体系主要有两种：热解碳(PyC)和氮化硼(BN)。这两种界面层均具有六方层状晶体结构，在复合材料断裂过程中能够偏转裂纹，使裂纹不直接贯穿纤维，从而提高复合材料的韧性和强度。但是热解碳(PyC)和氮化硼(BN)分别在400℃和900℃左右发生氧化，PyC氧化生成CO挥发，BN界面在水蒸气下氧化生成HBO3、H3BO3等气态物质挥发，造成界面层的失效，导致纤维与基体由弱结合转为强结合，材料发生脆性断裂。通过在BN中引入Si元素形成SiBN界面层，可以提高其抗氧化性，氧化生成硼硅酸盐具有流动性，可以愈合产生的裂纹，阻止氧元素向内扩散，侵蚀纤维，从而提高其抗氧化性。而SiBN/SiBCN复合界面层可使其抗氧化性进一步提升。SiBCN具有无定型结构，加热至2000℃时才会发生晶型转变，具有良好的耐高温和抗氧化性。研究表明，SiBCN相比Si3N4、SiC具有更加优异的抗氧化性。
[0005]化学气相沉积工艺制备的界面层结构致密、厚度均匀可控，从次方面而言，是陶瓷纤维表面沉积界面层的最佳工艺。但是，化学气相沉积工艺制备复合界面层制备工艺流程长且复杂，需要多次调节沉积温度，高温且酸碱性环境处理时间长会造成纤维的损伤，均不利于制备高性能的陶瓷基复合材料。
[0006]SiBN和SiBCN界面层由于元素种类更复杂，通常采用三类甚至四类以上的气源。如：SiCl4‑
NH3‑
BCl3和SiCl4‑
NH3‑
BCl3‑
CH4，反应非常复杂，且反应过程中产生HCl腐蚀性的副产物，对纤维造成损伤同时腐蚀设备，并不适用于批量化制备SiBN和SiBCN。
[0007]因此，本专利技术提出一种陶瓷纤维表面SiBN/SiBCN复合界面层的制备方法，即采用聚硼硅氮烷作为前驱体，采用化学气相沉积工艺通过控制气氛在陶瓷纤维表面制备SiBN和SiBCN复合界面层。该方法可以避免腐蚀性气体HCl的产生，从而减少纤维的结构缺陷和强度损伤，同时采用单一前驱体即可满足三种或四种组元界面层的制备，更容易在纤维内渗
透，增强界面层的沉积均匀性。

技术实现思路
：
[0008]本专利技术提出了一种陶瓷纤维表面SiBN/SiBCN复合界面层的制备方法。采用聚硼硅氮烷作为前驱体，采用载气载入前驱体，然后控制反应气比例和工艺气氛，在高温低压环境，渗透进入不同结构形式得陶瓷纤维内部，并最终在纤维表面制得SiBN和SiBCN复合界面层。该方法可以避免高温沉积过程中纤维的结构缺陷和强度损伤，采用单一前驱体即可满足三种或四种组元界面层的制备，增加界面层的均匀性。
[0009]本专利技术的目的是通过以下技术途径来实现的：
[0010]一种陶瓷纤维表面SiBN/SiBCN复合界面层的制备方法，该方法的具体操作步骤如下：
[0011]步骤一：将陶瓷纤维放置于气相沉积炉中，根据不同的纤维形式，选择相应的沉积工装；
[0012]步骤二：设置液态聚硼硅氮烷储罐的加热温度，控制在70℃～100℃；
[0013]步骤三：将气相沉积炉抽真空至25Pa以下，炉温升至700℃～1100℃，并保温20min～60min以使炉体达到均温状态；
[0014]步骤四：设置炉体压力200Pa～2000Pa，通入N2和H2，随后打开聚硼硅氮烷储罐的出气阀，采用加压的方式使其流入混合室，与H2混合通入沉积室，与另一气路通入的NH3发生反应，高温沉积0.5～2h后在陶瓷纤维表面形成SiBN界面层；
[0015]步骤五：沉积结束后，依次停止通入液态聚硼硅氮烷、NH3和H2，停止工艺过程，N2继续通入30min～60min排出炉体内残留气体；
[0016]步骤六：设置炉体温度800℃～1200℃和压力500Pa～2000Pa，通入N2，随后打开液态聚硼硅氮烷储罐的出气阀，采用加压的方式使其流入混合室，与N2混合通入沉积室，沉积1～3h后在陶瓷纤维表面形成SiBCN界面层；
[0017]步骤七：沉积结束后，依次停止通入液态聚硼硅氮烷和H2，停止工艺过程，N2继续通入30～60min排出炉体内反应气体，待炉体达微正压后停止通N2，随炉冷却至室温。
[0018]所述陶瓷纤维放置于气相沉积炉前采用水浴去除上浆剂。
[0019]所述水浴去除上浆剂是将陶瓷纤维置于高温水浴中脱浆处理，温度60℃～90℃，时间为2h～6h；
[0020]所述陶瓷纤维的种类为碳化硅纤维、氮化硅纤维、氮化硼纤维和氧化铝纤维。
[0021]所述纤维形式可以分为连续纤维束、纤维平纹布、纤维缎纹布、2.5D纤维织物和3D纤维织物。
[0022]所述的SiBN界面层及SiBCN界面层均由单一前驱体液态聚硼硅氮烷制备。
[0023]所述的步骤四中聚硼硅氮烷与H2的质量比为1：1～2，载气流量为1L/min～4L/min；聚硼硅氮烷与NH3的质量比为1：3～6，NH3流量为1L/min～3L/min。
[0024]所述的步骤六中聚硼硅氮烷与N2的质量比为1：3～5，N2流量为2L/min～6L/min。
[0025]本专利技术技术方案的优点和特点如下：
[0026]1.本专利技术采用加热水浴除纤维表面上浆剂，相比于空气中氧化去除，能采用较低的反应温度，从而降低纤维表面氧化反应程度，减少纤维中氧的引入。
[0027]2.本专利技术沉积SiBN作为内层界面层，能够提高界面层的抗氧化性，同时仍然能保持较好的结晶性，进而提高复合材料的使用温度。
[0028]3.本专利技术的制备工艺可以针对不同的纤维种类和纤维形式，SiBN/SiBCN可以沉积到陶瓷纤维的表面，由数百甚至上千根纤维单丝组成的纤维束内均沉积有界面层，结构均匀、致密，具有良好的渗透性。
[0029]4.本专利技术中首次提出使用液态聚硼硅氮烷(PSBN)作为前驱体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷纤维表面SiBN/SiBCN复合界面层的制备方法，其特征在于，该方法的具体操作步骤如下：步骤一：将陶瓷纤维放置于气相沉积炉中，根据不同的纤维形式，选择相应的沉积工装；步骤二：设置液态聚硼硅氮烷储罐的加热温度，控制在70℃～100℃；步骤三：将气相沉积炉抽真空至25Pa以下，炉温升至700℃～1100℃，并保温20min～60min以使炉体达到均温状态；步骤四：设置炉体压力200Pa～2000Pa，通入N2和H2，随后打开聚硼硅氮烷储罐的出气阀，采用加压的方式使其流入混合室，与H2混合通入沉积室，与另一气路通入的NH3发生反应，高温沉积0.5～2h后在陶瓷纤维表面形成SiBN界面层；步骤五：沉积结束后，依次停止通入液态聚硼硅氮烷、NH3和H2，停止工艺过程，N2继续通入30min～60min排出炉体内残留气体；步骤六：设置炉体温度800℃～1200℃和压力500Pa～2000Pa，通入N2，随后打开液态聚硼硅氮烷储罐的出气阀，采用加压的方式使其流入混合室，与N2混合通入沉积室，沉积1～3h后在陶瓷纤维表面形成SiBCN界面层；步骤七：沉积结束后，依次停止通入液态聚硼硅氮烷和H2，停止工艺过程，N2继续通入30～60min排出炉体内反应气体，待炉体达微正压后停止通N2，随炉冷却至室温。2.权利要求1所述的一种陶瓷纤维表面SiBN/SiBCN复合界面层的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕晓旭，焦健，孙佳佳，杨金华，齐哲，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：