含界面相的硅酸铝纤维增强氧化物陶瓷及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明主要涉及纤维增强氧化物陶瓷材料及其制备技术领域，具体涉及一种硅酸 铝纤维增强氧化物陶瓷及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 航空发动机、陆基发动机和再入式飞行器等热端部件对结构材料的需求越来越迫 切，要求结构材料具有优异的长时力学性能、高温强度保留率和耐环境性能。连续纤维增强 陶瓷基复合材料（CFRCMCs)是最有潜力的结构材料。其中，氧化物纤维增强氧化物复合材 料具有高强度、高韧性、难熔和优异的耐环境性能，是合适的高温结构候选材料。
[0003] 氧化物纤维增强氧化物复合材料的界面特性极为重要，因为合适的界面能够促使 裂纹偏转和纤维拔出等增韧机制的实现，从而提高复合材料的力学性能。由于氧化物纤维 和氧化物基体高温下会发生互扩散和化学反应，导致纤维和基体界面结合过强而使复合材 料发生脆性断裂，因此未进行界面改性的氧化物纤维增强氧化物复合材料的力学性能一般 较差。目前普遍采用的解决措施包括弱界面相和多孔基体两大类。其中，多孔基体避免了 纤维表面涂层的制备，工艺更为简单，但其制备工艺多为浆料浸渍-缠绕或热压工艺，只能 成型一维或二维产品，无法成型三维构件。通过在氧化物纤维织物上预先沉积涂层，然后利 用氧化物基体对其进行致密化，可以在引入弱界面相的同时实现近净尺寸成型。
[0004]目前，有研宄报道的应用于氧化物纤维增强氧化物复合材料的界面相材料主要 有：独居石类、BN、SiC和牺牲碳等。其中，独居石类界面相耐高温、抗氧化、且与氧化物纤维 和氧化物基体的相容性很好，然而其制备工艺多为液相法，难以在纤维表面获得均匀涂层， 且制备温度偏高，纤维热损伤严重。而BN和SiC界面相在高温氧化环境中均存在氧化失 效的问题，BN/SiC复合界面相的抗氧化性能有所提升（相关结果可参考《Journalofthe AmericanCeramicSociety〉〉中第 80 卷的"Thermaldegradationoffibercoatingsin mullite-fiber-reinforcedmullitecomposites,,(P2136 - 2140) 一文）。相比而言，牺牲 碳界面相是最有潜力的一种，因为它能够方便地通过化学气相沉积工艺（CVD)或先驱体浸 渍裂解工艺（PIP)沉积于纤维织物上，然后在合适的温度氧化牺牲。
[0005]CN102659442A号中国专利文献公开了一种氧化物纤维增韧二氧化硅陶瓷基复合 材料间隙型界面的制备方法，该界面的制备方法为先利用液相法在纤维织物表面沉积C6tl, 在复合材料制备完成后高温氧化C6tl形成间隙型界面。然而，该专利并未报道纤维表面C6(| 的形貌和该间隙型界面对复合材料性能的影响，且复合材料基体局限于二氧化硅一种。其 实，利用液相法在纤维表面制备的涂层均匀性较差，这导致复合材料的高温结构稳定性较 差。此外，二氧化硅基体的模量较低、且使用温度不高，限制了复合材料的高温应用。
【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的含界面相的硅酸铝纤维增强氧化物陶瓷，并相应提供一种制 备周期短、成本低、适应性广的该硅酸铝纤维增强氧化物陶瓷的制备方法。
[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硅酸铝纤维增强 氧化物陶瓷，其特征在于，所述硅酸铝纤维增强氧化物陶瓷是以莫来石、硅酸铝、氧化铝中 的一种或几种的混合物作为基体，以硅酸铝纤维作为增强相，且所述基体与增强相之间形 成有牺牲碳界面相。
[0008] 更优选的，所述增强相为三维硅酸铝纤维织物；所述牺牲碳界面相是通过先在所 述硅酸铝纤维织物的表面制备裂解碳涂层，然后高温氧化形成。
[0009] 作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的含界面相的硅酸铝纤维增强氧 化物陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
[0010] (1)裂解碳涂层的制备：采用三维正交编织工艺制备硅酸铝纤维织物，利用化学 气相沉积工艺（CVD)在所述硅酸铝纤维织物表面制备裂解碳涂层；
[0011] (2)基体一次致密化：以氧化物溶胶为先驱体，对上述步骤（1)制得的含裂解碳涂 层的硅酸铝纤维织物进行真空浸渍，然后进行凝胶化，再经高温陶瓷化后，完成一次致密化 过程；
[0012] (3)基体反复致密化：重复上述步骤（2)至少10次（优选10~15次），制得含裂 解碳界面相的硅酸铝纤维增强氧化物陶瓷；
[0013] (4)高温氧化：对上述步骤（3)制得的含裂解碳界面相的硅酸铝纤维增强氧化物 陶瓷进行热处理，氧化其中的裂解碳界面相涂层，使硅酸铝纤维和基体间形成间隙，制得含 界面相的硅酸铝纤维增强氧化物陶瓷。
[0014] 上述的制备方法，优选的，所述步骤（1)中，所述硅酸铝纤维织物中纤维体积分数 为 35%~45%。
[0015] 上述的制备方法，优选的，所述步骤（1)中，所述化学气相沉积工艺的工艺条件包 括：原料气为丙烯和氩气，沉积温度为900°c~IKKTC，沉积压力为IkPa~5kPa，丙烯和氩 气流速比为I: 1~1 : 3,沉积时间为Ih~5h。
[0016] 上述的制备方法，优选的，所述步骤（2)中，所述氧化物溶胶包括莫来石溶胶、硅 酸铝溶胶、氧化铝溶胶中的一种或几种的混合物。
[0017] 上述的制备方法，优选的，所述步骤（2)中，所述真空浸渍的工艺过程为：利用所 述氧化物溶胶真空浸渍所述硅酸铝纤维织物4h~8h，然后取出在空气中晾置Ih~2h。
[0018] 上述的制备方法，优选的，所述步骤（2)中，所述凝胶化是采用干燥方式完成，其 工艺过程为：将经真空浸渍后的硅酸铝纤维织物放入烘箱中，以2°C/min~:TC/min的升 温速率升温至150°C~200°C，干燥4h~6h，然后自然冷却到室温取出。
[0019] 上述的制备方法，优选的，所述步骤（2)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：将所述凝胶化后的硅酸铝纤维织物放入裂解炉中，在氮气中以 5°C/min~10°C/min的升温速率升温至1150°C~1350°C，保温0? 5h~2h，自然冷却至 100°C以下取出。
[0020] 上述的制备方法，优选的，所述步骤（4)中，所述热处理是采用高温裂解的方式完 成，其工艺过程为：将所述含裂解碳界面相的硅酸铝纤维增强氧化物陶瓷放入裂解炉中，在 空气中以5°C/min~10°C/min的升温速率升至600°C~800°C，保温Ih~2h，自然冷却至 室温。
[0021] 本发明的上述技术方案主要基于以下原理：在氧化物纤维织物表面预先制备均匀 的裂解碳涂层，然后选取合适的氧化物溶胶对该氧化物纤维织物进行致密化，最后通过高 温氧化牺牲裂解碳层，进而制备出性能优异的含牺牲碳界面相的氧化物纤维增强氧化物陶 瓷，这对氧化物纤维增强氧化物陶瓷的广泛应用将起到重要的推动作用。
[0022] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0023] 1.本发明的硅酸铝纤维增强氧化物陶瓷特别优选是以三维硅酸铝纤维织物作为 增强体，同时在增强体上利用CVD工艺沉积了裂解碳涂层，该涂层结晶程度较高且厚度均 匀性好，可以有效保护纤维不受基体的腐蚀并抑制界