一種氧化鋁纖維織物增強碳化硅陶瓷及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及纖維增強陶瓷材料領域，尤其涉及一種氧化鋁纖維織物增強碳化硅陶 瓷及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 纖維增強陶瓷材料具有低密度、優異的力學性能、耐高溫和耐腐蝕等性能，是理想 的高溫結構材料體系。其中，碳/碳（cf/c)復合材料和SiC陶瓷基復合材料（包括Cf/SiC 和SiCf/SiC)的應用最為廣泛。然而，C纖維在氧化環境中容易發生氧化失效，導致復合材 料使用溫度較低（<500°C)。SiCf/SiC復合材料在一定程度上可以解決Cf/SiC復合材料面 臨的氧化失效問題，但其應用受限于SiC纖維的耐溫性能（<1200°C)。High-NicalonSiC 纖維的耐溫性能較好，但其成本過高，不適于工業化生產。
[0003] 氧化物纖維具有低密度、高比強度和比模量、耐高溫等優異性能，相比于碳纖維和 碳化硅纖維而言，其固有的抗氧化性能和耐環境性能，使其成為高溫結構材料重要的增強 材料。氧化物纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料在保持SiCf/SiC復合材料力學性能的基礎 上，進一步提升了服役溫度，延長了服役壽命，且抗氧化性能更為優異。此外，氧化物纖維增 強碳化硅陶瓷基復合材料還具有優異的介電性能，可作為高溫功能材料使用，如高溫透波 材料和高溫吸波材料。
[0004] 氧化物纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料的制備工藝主要有：先驅體浸漬裂解法 (PIP)、化學氣相滲透法（CVI)、液相硅浸滲法（LSI)和泥漿浸漬熱壓法（SI-HP)等。其中， SI-HP法適用于單向復合材料，難以成型復雜構件，且燒結溫度過高，容易導致纖維熱損傷 和誘發纖維/基體界面反應；LSI法難以得到純碳化硅基體，通常含有硅和碳，單質硅的存 在不利于材料的高溫性能；PIP法燒結溫度低、可設計性強、可近凈尺寸成型，但PIP制備的 復合材料中纖維/基體界面結合較強，通常需要進行界面改性，提高了生產成本，且PIP制 備復合材料的周期較長，降低了生產效率；CVI法制備溫度低，工藝過程簡單，且得到的SiC 基體純度高，亦可近凈尺寸成型，已被廣泛應用于制備Cf/SiC和SiCf/SiC復合材料。
[0005] 目前，劉海韜等利用PIP工藝制備了SiCf/SiC復合材料，相關結果報道在2000 年出版的《MaterialsScienceandEngineeringA》第 525 卷中的"Effectsofthe fibersurfacecharacteristicsontheinterfacialmicrostructureandmechanical propertiesoftheKDSiCfiberreinforcedSiCmatrixcomposites"（P121-127)，結 果表明：未經界面改性的SiCf/SiC復合材料表現出脆性斷裂行為，彎曲強度僅為30. 5MPa; 且復合材料斷葉分平整，無界面脫粘和纖維拔出現象，也證實了纖維/基體界面結合較 強。此外，PIP工藝制備的SiC基體中通常含有游離碳和玻璃相SiOxCy雜質，在氧化氣氛中 它們會首先與〇 2發生反應而加劇SiC基體的氧化，導致復合材料的抗氧化性能不理想。而 CVI工藝制備的SiC基體純度高、抗氧化性能優異，但該工藝制備SiC陶瓷基復合材料的周 期通常很長OlOOh)，且需要進行界面改性，導致復合材料制備過程繁瑣且成本偏高。
【發明內容】
[0006] 本發明所要解決的技術問題是，克服以上【背景技術】中提到的不足和缺陷，提供一 種室溫和高溫力學性能優異的氧化物纖維織物增強碳化硅陶瓷，并相應提供一種制備周期 短、成本低、可以近凈尺寸成型的該氧化物纖維織物增強碳化硅陶瓷的制備方法。
[0007] 為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為一種氧化鋁纖維織物增強碳化硅 (Al203f/SiC)陶瓷，所述氧化鋁纖維織物增強碳化硅陶瓷是以氧化鋁纖維織物作為增強體， 以碳化硅（SiC)陶瓷作為基體，所述氧化鋁纖維織物增強碳化硅陶瓷主要是通過多次的化 學氣相滲透工藝制備得到。
[0008] 上述的氧化鋁纖維織物增強碳化硅陶瓷中，優選的：所述氧化鋁纖維織物表面在 沉積碳化硅陶瓷基體前原位生成有一薄層裂解碳涂層。
[0009] 上述的氧化鋁纖維織物增強碳化硅陶瓷中，優選的：所述薄層裂解碳涂層是通過 化學氣相滲透工藝原位生成。
[0010] 上述的氧化鋁纖維織物增強碳化硅陶瓷中，更優選的：所述氧化鋁纖維織物增強 碳化硅陶瓷的彎曲強度在85MPa以上，且1000°C下的彎曲強度進一步提升至IOOMPa以上； 所述氧化鋁纖維織物增強碳化硅陶瓷的彈性模量在70GPa以上，且1000°C下的彈性模量不 會明顯下降（變化幅度不超過5% )。
[0011] 作為一個總的技術構思，本發明還提供一種上述氧化鋁纖維織物增強碳化硅陶瓷 的制備方法，包括以下工藝步驟：
[0012] (1)纖維織物的制備：以氧化鋁纖維束為原料，采用編織工藝制備相應結構的氧 化鋁纖維織物；
[0013] (2)纖維織物的預處理：將所述氧化鋁纖維織物置于馬弗爐中高溫氧化一定時 間，以去除表面膠和雜質；
[0014] (3)Al203f/SiC陶瓷坯體的制備：以步驟（2)后得到的氧化鋁纖維織物為增強體， 以三氯甲基硅烷-氫氣-氬氣為原料，采用化學氣相滲透法（CVI)制備Al203f/SiC陶瓷坯 體；
[0015] (4)Al203f/SiC陶瓷坯體的加工：對步驟（3)所得的Al203f/SiC陶瓷坯體進行表面 加工，將表面的大量閉孔變為開孔以便進行后續致密化；
[0016] (5)后續致密化：采用化學氣相滲透法對步驟⑷后得到的Al203f/SiC陶瓷坯體進 行后續致密化處理，得到氧化鋁纖維織物增強碳化硅陶瓷。
[0017] 上述的制備方法，優選的，所述步驟（1)中，所述氧化鋁纖維織物為2. 結構、三 維四向結構、三維五向結構、三維六向結構或三維正交結構；所述氧化鋁纖維織物中纖維體 積分數為38 %~46%。
[0018] 上述的制備方法，優選的，所述步驟（2)中高溫氧化的工藝過程包括：在空氣中以 5°C/min~10°C/min的升溫速率升溫至600°C~800°C，保溫Ih~3h，自然冷卻至100°C 以下取出。
[0019] 上述的制備方法，優選的，所述步驟（3)中化學氣相滲透法的工藝參數包括：反應 溫度為l〇〇〇°C~1200°C，反應壓力為IkPa~5kPa，氫氣和氬氣流速比為3 : 1~1 : 1， 反應時間為6h~IOh。
[0020] 上述的制備方法，優選的，所述步驟（3)中化學氣相滲透法的工藝參數包括：反應 溫度為l〇〇〇°C~1200°C，反應壓力為IkPa~5kPa，氫氣和氬氣流速比為3 : 1~I: 1， 反應時間為3h~5h。
[0021] 本發明主要基于以下原理：通過CVI工藝參數的調節，在制備SiC基體的過程中， 在氧化物纖維表面原位生成一薄層碳涂層，既實現界面調節，又提高生產效率，這對于本領 域技術人員而言，將具有十分重要的意義。
[0022] 與現有技術相比，本發明的優點在于：
[0023] 1.本發明的Al203f/SiC陶瓷的制備方法為化學氣相滲透法（CVI)，制備溫度低，無 需加壓，且通過工藝參數調節顯著縮短了制備周期。
[0024] 2.在SiC基體沉積之前，在氧化鋁纖維織物表面原位形成了一薄層裂解碳涂層， 有效地調節了界面結合。
[0025] 3.通過纖維編織方式的合理設計，本發明的方法可以制備出結構復雜的構件，產 品外形尺寸可通過數控機床加工精確控制。
[0026] 本發明的Al203f/SiC陶瓷具有一般陶瓷基復合材料的常見優點，如高比強度和比 模量、優異的抗熱震性能等。此外，與Cf/SiC和SiCf/SiC陶瓷基復合材料相比，本發明的 Al203f/SiC陶瓷具有更優異的抗氧化性能。
【附圖說明】
[0027] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明 的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據 這些附圖獲得其他的附圖。
[0028] 圖1是本發明實施例1中制得的Al203f/SiC陶瓷的典型載荷-位移曲線。
[0029] 圖2是本發明實施例1中制得的Al203f/SiC陶瓷的截面微觀形貌圖。
[0030] 圖3是本發明實施例1中制得的Al203f/SiC陶瓷中纖維-基體界面形貌圖。
【具體實施方式】
[0031] 為了便于理解本發明，下文將結合說明書附圖和較佳的實施例對本發明作更全 面、細致地描述，但本發明的保護范圍并不限于以下具體的實施例。
[0032] 除非另有定義，下文中所使用的所有專業術語與本領域技術人員通常理解的含義 相同。本文中所使用的專業術語只是為了描述具體實施例的目的，并不是旨在限制本發明 的保護范圍。
[0033] 除非另有特別說明，本發明中用到的各種原材料、試劑、儀器和設備等均可通過市 場購買得到或者可通過現有方法制備得到。
[0034] 實施例1 :
[0035] 一種本發明的氧化鋁纖維織物增強碳化硅（Al203f/SiC)陶瓷，該氧化鋁纖維織物 增強碳化硅陶瓷是以氧化鋁纖維織物作為增強體，以碳化硅陶瓷作為基體，氧化鋁纖維織 物增強碳化硅陶瓷主要是通過多次的化學氣相滲透工藝制備得到。氧化鋁纖維織物表面在 沉積碳化硅陶瓷基體前原位生成有一薄層裂解碳涂層，該薄層裂解碳涂層是通過化學氣相 滲透工藝原位生成。
[0036] 本實施例上述的氧化鋁纖維織物增強碳化硅陶瓷的制備方法，