一种含界面相的氧化铝纤维织物增强SiOC陶瓷及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及纤维增强陶瓷材料领域，尤其涉及一种氧化铝纤维织物增强SiOC陶 瓷及其制备方法。
【背景技术】
[0002] SiOC陶瓷具有优异的热稳定性和力学性能，它克服了碳化物高温容易氧化的缺点 和氧化物高温蠕变速率高、力学性能显著降低的不足，引起了广大材料工作者的关注。SiOC 陶瓷的结构可稳定到1200°c~1300°C，被认为是一种很好的轻质、耐高温结构材料。此外， SiOC陶瓷还可以作为保护涂层、高温粘接剂、光学材料、电子封装材料和多孔陶瓷等，是一 种结构功能一体化的备选材料。
[0003] 聚硅氧烷（PSO)在惰性气氛中高温裂解即可得到SiOC陶瓷，此过程具有很高的性 价比，可以实现低成本制备高性能陶瓷基复合材料。国外已有公开低成本制备SiOC陶瓷基 复合材料的技术，具体涉及通过先驱体转化法（PIP)制备SiC纤维或硅酸铝纤维（Nextel?) 增强的SiOC复合材料，应用对象是涡轮发动机热端部件。结果表明，纤维（SiC/Nextel?/ C)增强的SiOC复合材料可在1260°C下长期服役，理想服役温度区间为600°C~1260°C。
[0004] 我们前期利用PIP工艺制备了Cf/SiOC复合材料，研宄了其结构和力学性能在高温 惰性环境中的演变行为。结果表明，在低于1400°c的惰性环境中，复合材料的力学性能没有 明显变化，只是SiOC陶瓷基体中发生了Si-O键和Si-C键的重排反应；当温度高于1500°C 时，复合材料的力学性能发生显著的降低，主要是由于SiOC陶瓷基体中因发生碳热还原反 应而变得疏松，无法有效传递载荷所致。然而，关于Cf/SiOC复合材料在氧化环境中的服役 行为却未见报道。其实不难想象，由于C纤维高温容易氧化，Cf/SiOC复合材料在氧化环境中 的服役效果不会很理想。相比而言，氧化物纤维固有的耐高温和抗氧化性能，使得Nextel?/ SiOC复合材料的耐高温、抗氧化性能更为优异。
[0005] 近年来，国外研宄机构（例如DLR)对硅酸铝纤维增强SiOC复合材料开展了广泛 的研宄，采用的增强纤维主要是Nextel? 610纤维。研宄表明：硅酸铝纤维增强SiOC复合 材料显示出低廉的制备成本、优异的力学性能和耐高温性能，可以应用于服役温度不高的 场合，如航空发动机的热端部件。然而，DLR开发的硅酸铝纤维增强SiOC复合材料属于多 孔基体复合材料，其基体中含有多孔氧化物陶瓷骨架（如氧化铝和莫来石等），骨架之间的 孔隙中填充有SiOC陶瓷，该过程是以PSO为先驱体进行后致密化实现的。由于基体孔隙率 较高，导致基体中SiOC的氧化通道较多，复合材料的密封性能和抗氧化性能均不理想。此 外，该复合材料制备过程涉及陶瓷浆料配制、坯体制备、SiOC后致密化等步骤，工艺较为繁 琐，且采用的工艺主要为缠绕工艺或手糊模压工艺，只能成型一维和二维构件。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是，克服以上【背景技术】中提到的不足和缺陷，提供 一种室温和高温力学性能优异、抗氧化性强、成本低的含界面相的氧化铝纤维织物增强SiOC(简写为Al203f/Si0C)陶瓷，并相应提供一种制备工艺简单、成本低、可以近净尺寸成 型的该三维氧化物纤维织物增强SiOC陶瓷的制备方法。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种含界面相的氧化铝纤维织物 增强SiOC陶瓷，所述陶瓷是以SiOC陶瓷作为基体，以三维氧化铝纤维织物作为增强体，所 述基体与增强体之间形成有牺牲碳界面相。所述牺牲碳界面相优选是通过先在所述三维氧 化铝纤维织物表面制备裂解碳涂层，然后在完成复合材料致密化后再将裂解碳涂层高温氧 化后形成。
[0008] 上述的含界面相的氧化铝纤维织物增强SiOC陶瓷，优选的：所述陶瓷的弯曲强度 在90MPa以上，且1000°C空气中处理IOh后弯曲强度的变化幅度不超过5%;所述陶瓷的弹 性模量在40GPa以上，且1000°C空气中处理IOh后弹性模量的变化幅度不超过8%。
[0009] 作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述含界面相的氧化铝纤维织物增强 SiOC陶瓷的制备方法，包括以下工艺步骤：
[0010] (1)纤维织物预处理：将氧化铝纤维织物置于马弗炉中进行高温氧化以进行除 杂，去除表面胶和杂质；
[0011] (2)裂解碳涂层制备：利用化学气相沉积工艺（CVD)在步骤（1)得到的氧化铝纤 维织物表面制备裂解碳涂层；
[0012] (3)先驱体溶液制备：按质量配比称取含氢聚硅氧烷（HPSO)与二乙烯基苯（DVB)， 置于磁力搅拌器上搅拌，搅拌一段时间后用胶头滴管滴加氯铂酸/无水乙醇溶液，然后继 续搅拌均匀备用；
[0013] (4)基体致密化：以上述步骤（3)得到的先驱体溶液对上述步骤⑵得到的涂覆 裂解碳涂层的氧化铝纤维织物进行真空浸渍，取出后晾置，然后进行低温交联，再经高温陶 瓷化后完成一次致密化过程；
[0014] (5)反复致密化：重复上述步骤（4)至少5次（优选5~8次），制得含裂解碳界 面相的氧化铝纤维织物增强SiOC陶瓷中间产品；
[0015] (6)后续氧化：对上述步骤（5)得到的氧化铝纤维织物增强SiOC陶瓷中间产品进 行后续氧化处理以牺牲碳，制得含界面相的氧化铝纤维织物增强SiOC陶瓷。
[0016] 上述的制备方法中，优选的，所述步骤（1)中：所述氧化铝纤维织物为三维正交结 构、三维四向结构、三维五向结构或三维六向结构；所述氧化铝纤维织物中纤维体积分数为 36%~45%。
[0017] 上述的制备方法中，优选的，所述步骤（1)中：所述高温氧化是指：将氧化铝纤维 织物放入马弗炉中，在空气中以5°C/min~10°C/min的升温速率升温至600°C~800°C， 保温Ih~3h，自然冷却至100°C以下取出。
[0018] 上述的制备方法中，优选的，所述步骤（2)中：所述化学气相沉积工艺的工艺参数 包括：原料气为丙烯和氩气，沉积温度为950°C~1050°C，沉积压力为IkPa~3kPa，丙烯和 氩气流速比为I: 1~1 : 3,沉积时间为Ih~3h。
[0019] 上述的制备方法中，优选的，所述步骤（3)中：所述含氢聚硅氧烷与二乙烯基苯的 质量配比为1 : 0.5~1:1，氯铂酸的浓度（在氯铂酸/无水乙醇溶液中的浓度）为3ppm~ IOppm0
[0020] 上述的制备方法中，优选的，所述步骤（4)中：所述真空浸渍的浸渍时间为2h~ 5h，取出后瞭置时间为Ih~3h。
[0021] 上述的制备方法中，优选的，所述步骤（4)中，所述低温交联是采用干燥方式完 成，其工艺过程为：将经真空浸渍、晾置后的氧化铝纤维织物放入烘箱中，以2°C/min~ 4°C/min的升温速率升温至140°C~170°C，干燥3h~6h，然后自然冷却到室温后取出。
[0022] 上述的制备方法中，优选的，所述步骤（4)中，所述高温陶瓷化是采用高温裂解 的方式完成，其工艺过程为：将低温交联后的氧化铝纤维编织物放入裂解炉中，在氮气中 以5°C/min~10°C/min的升温速率升温至950°C~1150°C，保温0. 5h~2h，自然冷却至 100°C以下取出。
[0023] 上述的制备方法中，优选的，所述步骤(6)中：所述后续氧化处理是采用高温裂解 的方式完成，其具体的工艺过程为：将所述氧化铝纤维织物增强SiOC陶瓷中间产品放入裂 解炉中，在空气中以5°c/min~10°C/min的升温速率升温至550°C~700°C，保温0. 5h~ 2h，自然冷却至室温。
[0024] 本发明的上述技术方案