一种含有高低模量层状基体的复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种含有高低模量层状基体的SiC

【技术实现步骤摘要】
一种含有高低模量层状基体的复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于SiC
f
/SiC的制备
，涉及一种含有高低模量层状基体的复合材料及其制备方法，具体涉及含有高低模量层状基体的SiC
f
/((C
‑
SiC)
m
‑
SiC)
n
复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着航空飞行器速度的提升，航空发动机推重比越来越大，航空发动机热端部件的服役条件也变得越来越严苛。当航空发动机推重比进一步增加到12～15时，航空发动机的涡轮进口平均温度将高达1800℃，高温合金将难以满足工作温度要求。连续SiC纤维增强SiC基(SiC
f
/SiC)复合材料具有耐高温、高强度、高模量、抗氧化和抗蠕变等优良性能，有望成为下一代高推重比发动机理想的热结构材料。
[0003]SiC
f
/SiC复合材料主要由SiC纤维、界面相和SiC基体三部分组成，其中SiC纤维起承载作用；界面相起调节界面结合强度、偏转裂纹、传递载荷、缓解应力等作用，是实现SiC
f
/SiC复合材料非脆性断裂和高强韧性的关键；SiC基体主要起到材料成型、保护纤维和界面、传递载荷等作用。
[0004]目前SiC
f
/SiC复合材料主要通过在纤维和基体之间制备BN、PyC等低断裂能的弱界面相实现较低的界面结合强度，使裂纹在纤维与界面相之间的界面(F/I)、界面相与基体之间的界面(I/M)或界面相内部发生偏转，延长裂纹扩展路径，从而提高复合材料的强度和韧性，避免发生脆性断裂。研究证实裂纹偏转是SiC
f
/SiC复合材料的核心强韧化机制。
[0005]尽管通过引入界面相，SiC
f
/SiC复合材料获得了较好的力学性能，但面向未来高推重比发动机热端部件，特别是转动部件应用时，当前SiC
f
/SiC复合材料的强度和韧性仍显不足。例如，新一代发动机转子叶片要承受大于250MPa的离心力，即要求材料的比例极限至少要大于250MPa，而CVI工艺制备的2D SiC
f
/SiC复合材料室温拉伸强度一般在350MPa左右，比例极限在150～180MPa左右，力学性能还需提升50％。
[0006]SiC基体在SiC
f
/SiC复合材料中体积分数高，如果通过基体结构设计，使裂纹能够在基体中实现偏转，释放裂纹尖端应力，延长裂纹扩展路径，启动基体强韧化机制，则有望进一步提高SiC
f
/SiC复合材料力学性能。SiC
f
/SiC复合材料中SiC基体实现裂纹偏转的条件是：(1)基体具有层状结构；(2)基体各层之间存在高低模量差异。据此，本专利技术提出一种含有高低模量层状基体的SiC
f
/SiC复合材料的低成本、短周期、便捷制备技术。

技术实现思路

[0007]要解决的技术问题
[0008]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种含有高低模量层状基体的SiC
f
/((C
‑
SiC)
m
‑
SiC)
n
复合材料及其制备方法，工艺简单可靠，制备的复合材料与传统含有单相均质SiC基体的SiC
f
/SiC复合材料相比，强度和韧性提高50％以上。
[0009]技术方案
[0010]一种含有高低模量层状基体的SiC
f
/((C
‑
SiC)
m
‑
SiC)
n
复合材料，其特征在于由SiC纤维、BN界面和高低模量交替分布的层状基体组成；在低模量C
‑
SiC层状基体上沉积高模量SiC基体，然后为交替的高模量基体和低模量基体；所述C
‑
SiC基体层与高模量SiC基体层的高低模量匹配，使裂纹在两种基体界面处偏转。
[0011]所述低模量C
‑
SiC层状基体中的C层厚度为50～100nm左右，SiC层厚度为300～500nm左右，C
‑
SiC基体层的整体模量为200
‑
250Gpa。
[0012]所述高模量SiC基体为高结晶度的SiC基体，SiC基体层的厚度为1μm，模量为400～450Gpa。
[0013]所述SiC
f
/((C
‑
SiC)
m
‑
SiC)
n
复合材料地密度大于2.5g/cm3，开气孔率小于10％；材料的弯曲强度最高为1507
±
122MPa，断裂韧性最高为58
±
3.5MPa
·
m
1/2
，拉伸强度最高为889
±
71MPa。
[0014]一种所述含有高低模量层状基体的SiC
f
/((C
‑
SiC)
m
‑
SiC)
n
复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
[0015]步骤1：对SiC
f
纤维预制体进行排胶预处理，并在纤维表面制备一层BN界面相；
[0016]步骤2：将沉积BN界面相的预制体浸渍低浓度聚碳硅烷溶液，取出后去掉多余的溶液；再放入裂解炉中，在Ar气氛下进行裂解，由聚碳硅烷原位转化为低模量层状C
‑
SiC基体；重复m次在复合材料内部制备出(C
‑
SiC)
m
多循环低模量基体；
[0017]所述低浓度聚碳硅烷溶液中的聚碳硅烷为含乙烯基聚碳硅烷，溶剂为二甲苯，二甲苯与含乙烯基聚碳硅烷的质量比为15:1～40:1；
[0018]步骤3：将制备出(C
‑
SiC)
m
多循环低模量基体的中间体放到SiC沉积炉中，沉积高模量层状SiC基体；
[0019]交替重复步骤2和步骤3，得到含有高低模量层状基体的SiC
f
/((C
‑
SiC)
m
‑
SiC)
n
复合材料；所述材料中n为重复次数。
[0020]所述步骤1的排胶预处理步骤为：用沸水浸泡SiC纤维预制体后，再用去离子水冲洗SiC纤维预制体，再放入烘箱中烘干。
[0021]所述步骤2中的裂解工艺为：Ar气流量为200ml/min，升温程序为10℃/min从室温升到220℃，保温2h，10℃/min从220℃升温到1000～1300℃，保温2h，5℃/min从1000
‑
1300℃降温到600℃后自然冷却。
[0022]所述步骤1中的BN界面相的制备工艺为化学气相沉积，BN厚度为150
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含有高低模量层状基体的SiC
f
/((C
‑
SiC)
m
‑
SiC)
n
复合材料，其特征在于由SiC纤维、BN界面和高低模量交替分布的层状基体组成；在低模量C
‑
SiC层状基体上沉积高模量SiC基体，然后为交替的高模量基体和低模量基体；所述C
‑
SiC基体层与高模量SiC基体层的高低模量匹配，使裂纹在两种基体界面处偏转。2.根据权利要求1所述含有高低模量层状基体的SiC
f
/((C
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SiC)
m
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SiC)
n
复合材料，其特征在于：所述低模量C
‑
SiC层状基体中的C层厚度为50～100nm左右，SiC层厚度为300～500nm左右，C
‑
SiC基体层的整体模量为200
‑
250Gpa。3.根据权利要求1所述含有高低模量层状基体的SiC
f
/((C
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SiC)
m
‑
SiC)
n
复合材料，其特征在于：所述高模量SiC基体为高结晶度的SiC基体，SiC基体层的厚度为1μm，模量为400～450Gpa。4.根据权利要求1所述含有高低模量层状基体的SiC
f
/((C
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SiC)
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SiC)
n
复合材料，其特征在于：所述SiC
f
/((C
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SiC)
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‑
SiC)
n
复合材料地密度大于2.5g/cm3，开气孔率小于10％；材料的弯曲强度最高为1507
±
122MPa，断裂韧性最高为58
±
3.5MPa
·
m
1/2
，拉伸强度最高为889
±
71MPa。5.一种权利要求1～4任一项所述含有高低模量层状基体的SiC
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【专利技术属性】
技术研发人员：成来飞，叶昉，魏玉聪，张立同，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：