一种碳纳米片增韧PyC/SiC复合界面及其制备方法技术

本发明专利技术涉及SiC

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米片增韧PyC/SiC复合界面及其制备方法


[0001]本专利技术涉及SiC
f
/SiC复合材料，具体涉及一种碳纳米片增韧PyC/SiC复合界面及其制备方法。

技术介绍

[0002]SiC
f/
SiC复合材料是指在SiC陶瓷基体中引入SiC连续纤维，形成以SiC纤维为分散增强相，以SiC陶瓷为连续相的复相材料。该陶瓷复材具有较低的密度(仅为高温合金的1/4~1/3)，优异的高温性能(较高温合金提升200
°
C)、比强度和比模量、抗氧化性能等，在航空航天领域具有广阔的应用前景。
[0003]陶瓷纤维与基体的直接接触会形成纤维
‑
基体强结合，使得纤维的增强增韧效果无法发挥，同时，制备过程也会对纤维造成较为严重的损伤。在纤维和基体间引入界面层是解决纤维
‑
基体结合问题、避免损伤纤维的有效手段，对调节陶瓷复材综合性能尤为关键，因此，界面层的设计及制备工艺十分重要。
[0004]现阶段SiC
f
/SiC复合材料的界面选材主要有热解碳(PyC)、氮化硼(BN)、碳化硅(SiC)及多层复合界面。因特殊的层状晶体结构有利于增韧陶瓷复材，使得PyC成为陶瓷复材常用的界面相，但易氧化的特点限制了其在航空发动机热端部件服役环境下的应用。相较而言，SiC具有更好的抗氧化性能，但其脆性大、高温性能较差，无法满足发动机热端部件承载需求。考虑到界面组成以及界面性质直接影响着陶瓷复材的断裂失效行为，本专利技术提出了一种碳纳米片(CNS)改性的PyC/SiC复合界面层，由PyC界面提高陶瓷复材的损伤容限和热物理性能，由SiC界面提升陶瓷复材的抗氧化能力，同时，利用CNS对界面裂纹的诱导偏转、其自身的桥连和脱粘作用来改善SiC界面层的脆性。

技术实现思路

[0005]针对上述SiC
f
/SiC复合材料界面选材问题，本专利技术提出一种碳纳米片增韧PyC/SiC复合界面及其制备方法。
[0006]本专利技术的技术方案是：一种碳纳米片(CNS)增韧PyC/SiC复合界面的制备方法，通过化学气相沉积工艺在纤维预制体表面依次沉积PyC界面、CNS和SiC界面，弥补单一PyC弱界面和单一SiC强界面的不足，利用CNS的钉扎效应增强SiC界面与PyC界面的结合，改善SiC界面的脆性，从而通过界面改性提升SiC
f
/SiC复合材料的强度和韧性。
[0007]进一步的，上述一种碳纳米片(CNS)增韧PyC/SiC复合界面的制备方法，具体步骤如下：步骤1）纤维预制体编织采用二代SiC纤维，2.5D编织结构，经纱密度为8
±
0.2根/cm，纬纱密度为3.5
±
0.2根/cm，编织体尺寸为200
×
100
×
3.5mm3；步骤2）PyC界面沉积
采用化学气相沉积工艺在纤维表面沉积PyC界面层，将纤维预制体置于PyC沉积炉中，以丙烯C3H6为碳源，以高纯度氩气Ar为稀释和保护气体，沉积参数为：C3H6流量为100~200mL/min，Ar流量为120~200mL/min，沉积温度为800~1500
°
C，升温速率为8
°
C/min，沉积压力为1~2kPa，沉积时间为1~3h，所得PyC界面层厚度为200~300nm；步骤3）CNS沉积采用化学气相沉积工艺沉积CNS，以甲醇为先驱体，对甲醇进行水浴加热，保持水浴温度在20~30
°
C；调节甲醇流量，使沉积室内压力保持在10~20kPa；沉积温度为1000~1300
°
C，沉积时间为1~3h；步骤4）SiC界面沉积采用化学气相沉积工艺沉积SiC界面层，以一甲基三氯硅烷MTS为先驱体，高纯度H2为载气，高纯度Ar为稀释气体，沉积参数为：H2流量为1.5~3L/min，Ar流量为300~800mL/min，沉积温度为900~1500
°
C，升温速率为7
°
C/min，沉积压力为0.5~3kPa，沉积时间为2~10h，所得SiC界面层厚度为0.5~1μm；步骤5）SiC基体沉积采用化学气相沉积工艺实现SiC基体增密，以一甲基三氯硅烷MTS为先驱体，高纯度H2为载气，高纯度Ar为稀释气体，沉积参数为：H2流量为1.5~3L/min，Ar流量为200~600mL/min，沉积温度为900~1500
°
C，升温速率为7
°
C/min，沉积压力为1~3kPa，沉积时间为100~200h，所得SiC
f
/SiC复合材料密度为1.9~2.1g/cm2。
[0008]一种上述的碳纳米片增韧PyC/SiC复合界面的制备方法制备得到的碳纳米片增韧PyC/SiC复合界面。
[0009]本专利技术的优点及有益效果：本专利技术的碳纳米片增韧PyC/SiC复合界面，相较现有的PyC/SiC复合界面，通过引入纳米碳强化PyC界面和SiC界面层间结合，增加裂纹扩展阻力，发挥纳米相的桥连和脱粘作用，显著改善界面脆性，继而提升SiC
f
/SiC复合材料的强度和韧性，有效避免陶瓷复材的脆性断裂，使得陶瓷复材零件的安全性和可靠性得以改进，零件使用寿命延长30%。
附图说明
[0010]图1为本专利技术PyC界面层表面CNS形貌图；图2为本专利技术制备的SiC
f
/SiC复合材料的弯曲强度
‑
位移曲线图。
具体实施方式
[0011]下面结合说明书附图和具体实施方式对本专利技术做进一步详细描述。
[0012]一种碳纳米片增韧PyC/SiC复合界面，按照以下步骤制备：步骤1）纤维预制体编织采用二代SiC纤维，2.5D编织结构，经纱密度为8
±
0.2根/cm，纬纱密度为3.5
±
0.2根/cm，编织体尺寸为200
×
100
×
3.5mm3；步骤2）PyC界面沉积采用化学气相沉积工艺在纤维表面沉积PyC界面层，将纤维预制体置于PyC沉积炉中，以丙烯C3H6为碳源，以高纯度氩气Ar为稀释和保护气体，沉积参数为：C3H6流量为120mL/
min，Ar流量为120mL/min，沉积温度为1050
°
C，升温速率为8
°
C/min，沉积压力为1.2kPa，沉积时间为1h，所得PyC界面层厚度为200nm；步骤3）CNS沉积采用化学气相沉积工艺沉积CNS，以甲醇为先驱体，对甲醇进行水浴加热，保持水浴温度在28
°
C；调节甲醇流量，使沉积室内压力保持在10kPa；沉积温度为1200
°
C，沉积时间为1.5h；步骤4）SiC界面沉积采用化学气相沉积工艺沉积SiC界面层，以一甲基三氯硅烷MTS为先驱体，高纯度H2为载气，高纯度Ar为稀释气体，沉积参数为：H2流量为1.8L/m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米片增韧PyC/SiC复合界面的制备方法，其特征在于，通过化学气相沉积工艺在纤维预制体表面依次沉积PyC界面、CNS和SiC界面，弥补单一PyC弱界面和单一SiC强界面的不足，利用CNS的钉扎效应增强SiC界面与PyC界面的结合，改善SiC界面的脆性，从而通过界面改性提升SiC
f
/SiC复合材料的强度和韧性。2. 根据权利要求1所述一种碳纳米片增韧PyC/SiC复合界面的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1）纤维预制体编织采用二代SiC纤维，2.5D编织结构，经纱密度为8
±
0.2根/cm，纬纱密度为3.5
±
0.2根/cm，编织体尺寸为200
×
100
×
3.5mm3；步骤2）PyC界面沉积采用化学气相沉积工艺在纤维表面沉积PyC界面层，将纤维预制体置于PyC沉积炉中，以丙烯C3H6为碳源，以高纯度氩气Ar为稀释和保护气体，沉积参数为：C3H6流量为100~200mL/min，Ar流量为120~200mL/min，沉积温度为800~1500
°
C，升温速率为8
°
C/min，沉积压力为1~2kPa，沉积时间为1~3h，所得PyC界面层厚度为200~300nm；步骤3）CNS沉积采用化学气相沉积工艺沉积CNS，以甲醇...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雪松，张佳平，李浩，常龙飞，罗天祎，
申请(专利权)人：中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：