一种氧化铝纤维增强碳化硅-硅酸铝陶瓷及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及纤维增强陶瓷材料领域，尤其涉及一种纤维增强碳化硅-硅酸铝陶瓷 及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 氧化物纤维增强碳化硅陶瓷具有优异的力学性能、介电性能、抗氧化性能和耐环 境性能，是一类重要的高温结构功能材料。然而，碳化硅的高温耐环境性能较差，如在高温 有氧的水汽环境中容易发生氧化而失效，极大地限制了其应用。
[0003] 目前，氧化物纤维增强碳化硅陶瓷的制备工艺主要有先驱体转化法（PIP)和化学 气相渗透法（CVI)。PIP法烧结温度低、基体可设计性强、可近净尺寸成型，但PIP制备的材 料孔隙率较高、纤维损伤较大且纤维/基体界面结合较强。此外，PIP法制备的SiC陶瓷中 通常含有游离碳和玻璃相SiOxCy等杂质，其抗氧化性能不及纯SiC陶瓷。CVI法制备温度 低、得到的SiC基体纯度较高、亦可近净尺寸成型。然而，在CVI制备过程中，由于缺陷的产 生和热失配引起的基体裂纹会使其抗氧化性能大大降低。通过基体改性和后致密化处理， 进一步提高复合材料致密度，可以在一定程度上提高SiC基体的抗氧化性能。
[0004] 我们前期利用PIP工艺制备了氧化铝纤维增强碳化硅（Al203f/SiC)陶瓷基复合材 料，对其力学性能和微观形貌进行了研宄，结果表明：未经界面改性的Al203f/SiC复合材料 中纤维/基体界面结合较强，表现出脆性断裂行为，弯曲强度仅为42. 8MPa。此外，还利用 CVI工艺制备了Al203f/SiC复合材料，研宄结果表明：氧化铝纤维和SiC基体间能原位形成 一薄层碳涂层，从而削弱了界面结合，复合材料的力学性能较优，弯曲强度达到92.IMPa。然 而，由于基体中存在较多的孔隙和裂纹，导致复合材料的抗氧化性能不理想。
【发明内容】
[0005] 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 种力学性能、耐高温和抗氧化性能优异的氧化铝纤维增强碳化硅-硅酸铝陶瓷，并相应提 供一种制备周期短、成本低、可以近净尺寸成型的该氧化铝纤维增强碳化硅-硅酸铝陶瓷 的制备方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种氧化铝纤维增强碳化硅-硅 酸铝陶瓷（简称Al203f/SiC-AS)，所述陶瓷是以氧化铝纤维织物（Al2O3f)作为增强体，以碳 化硅陶瓷（SiC)和硅酸铝陶瓷（AS)作为基体，所述碳化硅陶瓷主要是采用化学气相渗透法 成型得到，所述硅酸铝陶瓷是通过溶胶-凝胶工艺引入。
[0007] 上述的氧化铝纤维增强碳化硅-硅酸铝陶瓷，优选的：所述基体包含20%~40% 体积分数（占整个氧化铝纤维增强碳化硅-硅酸铝陶瓷的体积分数，下同）的碳化硅陶瓷 和10%~20%体积分数的硅酸铝陶瓷（其余的体积空间主要为孔隙）。
[0008] 上述的氧化铝纤维增强碳化硅-硅酸铝陶瓷，优选的：所述陶瓷的弯曲强度在 125MPa以上，且经过1000°C的高温氧化IOOh后的弯曲强度在IlOMPa以上；所述陶瓷的弹 性模量在70GPa以上，且经过1000°C的高温氧化IOOh后的弹性模量在60GPa以上。
[0009] 作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述氧化铝纤维增强碳化硅-硅酸铝 陶瓷的制备方法，包括以下工艺步骤：
[0010] (l)Al203f/SiC陶瓷坯体的制备：以氧化铝纤维织物、三氯甲基硅烷、氢气、氩气为 原料，采用化学气相渗透法（CVI)制备Al203f/SiC陶瓷坯体；
[0011] (2)Al203f/SiC陶瓷坯体的加工：对上述步骤（1)制得的Al203f/SiC陶瓷坯体进行 表面加工，将表面的大量闭孔变为开孔以便于进行后续致密化；
[0012] (3)AS陶瓷后续致密化：利用硅铝复合溶胶真空浸渍上述步骤（2)后的Al203f/SiC 陶瓷坯体，经凝胶化、高温陶瓷化后转变为中间产品；
[0013] (4)重复上述步骤（3)的过程至少4次（优选4~8次），最终制得氧化铝纤维增 强碳化硅-硅酸铝陶瓷。
[0014] 上述的制备方法，优选的，所述步骤（1)中，所述氧化铝纤维织物为2. 结构、三 维四向结构、三维五向结构、三维六向结构或三维正交结构；所述氧化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，所述化学气相渗透法的工艺参数条件 包括：沉积温度为l〇〇〇°C~1200°C，沉积压力为IkPa~5kPa，氢气和氩气流速比为3:1~ 1:1，沉积时间为6h~10h。
[0016] 上述的制备方法，优选的，所述步骤（3)中，所述真空浸渍的工艺过程包括：利用 硅铝复合溶胶真空浸渍所述Al203f/SiC陶瓷坯体4h~8h，然后取出在空气中晾置Ih~2h; 所述硅铝复合溶胶的固含量为18. 2wt%~25. 3wt%。
[0017] 上述的制备方法，优选的，所述步骤（3)中，所述凝胶化是采用干燥方式完成，其 干燥工艺过程包括：将经真空浸渍后的陶瓷坯体放入烘箱中，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。
[0018] 上述的制备方法，优选的，所述步骤（3)中，所述高温陶瓷化是采用高温裂解的 方式完成，其具体的工艺过程包括：将所述凝胶化后的陶瓷坯体放入裂解炉中，在空气中 以5°C/min~10°C/min的升温速率升至900°C~1100°C，保温0. 5h~I. 5h，自然冷却至 100°C以下取出。
[0019] 本发明主要遵循以下技术思路：在不改变CVI工艺制备的Al203f/SiC复合材料性 能的前提下，通过对基体进行改性和后续致密化处理，以进一步弥合基体中的裂纹缺陷，进 而提升复合材料的力学性能和抗氧化性能。在具体的制备过程中，我们首先通过CVI工艺 制备Al203f/SiC陶瓷坯体，然后以硅铝复合溶胶为先驱体，采用溶胶-凝胶工艺对Al2O3f/ SiC陶瓷坯体进行后致密化处理，制得力学性能和抗氧化性能优异的氧化铝纤维增强碳化 硅-硅酸铝陶瓷。
[0020] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0021] 1.本发明的Al203f/SiC-AS陶瓷的制备方法为气相法结合液相法，可在较低温度 下无压烧结制备SiC-AS陶瓷基体，制备周期短；
[0022] 2.本发明的方法可通过纤维编织方式制备结构复杂的构件，产品外形尺寸可通过 数控机床加工精确控制；选取的原料广泛易得，可广泛应用于工业化生产。
[0023] 本发明的Al203f/SiC-AS陶瓷，具有一般陶瓷基复合材料的常见优点，如高比强度 和比模量、优异的抗热震性能等。此外，与Cf/SiC、SiCf/SiC和Al203f/SiC陶瓷基复合材料 相比，本发明的Al203f/SiC-AS陶瓷具有更优异的抗氧化性能和耐环境性能。
【附图说明】
[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 这些附图获得其他的附图。
[0025] 图1是本发明实施例1中制得的Al203f/SiC-AS陶瓷的光学照片。
[0026] 图2是本发明实施例1中制得的Al203f/SiC-AS陶瓷中基体的能谱分析。
[0027] 图3是本发明实施例1中制得的Al203f/SiC-AS陶瓷的微观形貌图。
【具体实施方式】
[0028] 为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全 面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
[0029] 除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义 相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明 的保护范围。
[0030] 除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市 场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
[0031] 实施例1 :
[0032] -种如图1所示本发明的氧化铝纤维增强碳化硅-硅酸铝陶瓷（简写为Al2O3f/ SiC-AS)，包含有约41 %体积分数的氧化铝纤维、约33%体积分数的SiC陶瓷和约12%体积 分数的AS陶瓷。
[0033] 一种制备上述本实施例Al203f/SiC-AS陶瓷的方法，具体包括以下步骤：
[0034] (l)Al203f/SiC陶瓷坯体的制备：以三维正交氧化铝纤维织物为增强体、三氯甲基 硅烷-氢气-氩