一种SiC纤维表面BN涂层的连续制备方法与流程

本发明属于纤维表面界面层制备领域，具体的涉及一种连续制备sic纤维束表面bn涂层的方法。

背景技术：

1、sic纤维增强陶瓷基复合材料具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、轻质高强的优异特点，在航空航天、军工领域有非常大的应用前景。纤维界面涂层具备保护纤维及调节纤维和基体间结合力的重要作用，是制备优异性能复合材料的关键。

2、bn涂层作为sic纤维的界面涂层具有以下优点：1、bn涂层和c涂层一样，为弱界面结合，能更好的发挥脆性sic纤维的承载能力，提高sic纤维增强陶瓷基复合材料的强度及断裂韧性；2、bn涂层的抗氧化能力优异，bn氧化后生成的b2o3具有自愈合功能，能够防止进一步氧化。3、bn涂层耐腐蚀能力强，在复合材料的制备过程中能很好地保护纤维。

3、目前，常规的在sic纤维表面制备bn界面层的方法为：首先将sic纤维编织成型，然后在封闭的沉积炉中进行沉积。但是由于编织体具有一定的厚度，外层与内层的沉积速度不同，涂层均匀性存在较大差异，容易出现表面涂层厚，而芯部涂层薄的情况。此外，化学气相沉积制备bn涂层的温度较低，为无定型态，容易分解，需要在其他设备进一步高温热处理将无定型bn转化为结晶态bn，在转移过程中，涂层容易分解，不利于得到高结晶bn涂层。

4、周新贵等人使用浸涂法，将sic纤维浸渍在硼酸，尿素溶液中，并在氨气下进行热解，循环多次，在sic纤维表面制备得到bn涂层，但是制备温度仅1000℃，所制备bn涂层结晶度较差，且存在腐蚀纤维的隐患。阳海棠等人采用化学气相沉积法，在sic纤维上连续沉积bn涂层，并辅以高温热处理，得到了连续的结晶性好的bn涂层，但是对设备要求较高，副产物腐蚀性强，设备极易损坏。

5、开发得到一种成本低，生产效率高，且均匀性、稳定性好的bn涂层还需进一步拓展工艺制备方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种连续制备sic纤维束表面bn涂层的方法，本发明的制备方法简单、高效，所制得的bn界面层可均匀的分布在sic纤维表面，且纤维是在有张力的状态下进行bn涂层的制备，所得带bn涂层的sic纤维束平直度好，可编织性强，可用于制备高性能陶瓷基复合材料。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、本发明一种连续制备sic纤维表面bn涂层的方法，先于sic纤维表面预先设置碳涂层，然后再置于连续化的设备中，将sic纤维由放丝装置中放出，先浸润在含硼的溶液中获得被含硼薄膜包裹的sic纤维，然后将被含硼薄膜包裹的sic纤维继续经过高温炉于sic纤维表面形成bn涂层，再经收丝装置收丝；

4、所述高温炉中通入氮气和氨气的混合气氛；

5、所述含硼溶液，按质量百分比计，组成如下：氧化硼2～10％，无水乙醇85～96％；pvb 0.5～5％。

6、在本发明中，通过在连续化设备中，将设置有碳涂层的sic纤维由放丝装置中放出，先运动至含硼的溶液中，在含硼溶液中浸润，获得含硼薄膜包裹的sic纤维，然后连续通过高温管式炉，高温管式炉中通入氮气和氨气的混合气氛，使sic纤维中以碳涂层作为反应基底，碳与含硼薄膜中的氧化硼在氨气环境下反应生成bn即获得sic纤维表面bn涂层。

7、发明人发现，最终要能够获得均匀的bn涂层，所用含硼溶液的配方是至关重要的，替换一下成份或任何一个成份不在本发明范围内，都将无法获得均匀的bn涂层，在实际探索过程中，本发明也尝试了其他的硼源，如硼酸，不仅腐蚀了纤维，而且还对炉子造成损害，另外，关于成分含量，若pvb加入过多，涂覆在纤维上的含硼物质不够均匀，影响涂层均匀性，pvb加入过少，则会使粘附在纤维上的含硼物质少，涂层厚度会过薄；

8、此外，先形成碳涂层也是至关重要的，不设置碳涂层，后面直接做bn涂层，会腐蚀纤维，造成强度下降，本发明的涂层，不仅能够避免腐蚀纤维，而且作为反应基底，利于bn涂层的生长。

9、优选的方案，所述sic纤维包含单丝sic纤维与sic纤维束。

10、优选的方案，所述sic纤维表面预先设置碳涂层的方式为：将sic纤维置于加热炉中，通入氯气气氛，于500～800℃保温1～5h即得。在实际操作过程中，在加热炉中加入sic纤维后，先充入惰性气体，抽真空，反复三次，然后通入氯气，保持炉中压力为微正压状态，然后升温至保温温度，在sic纤维表面制备薄薄的一层原位生长的碳涂层。

11、本发明的碳涂层的设置方法，是在氯气气氛下，在高温下把sic中的si刻蚀掉，变成sicl4气体跑掉，剩下sic中的c形成表面的碳涂层，通过上述方法，原位生长的碳涂层，不仅具有极高的结合性能，而且均匀性也非常好。

12、在实际探索过程中，发明人尝试了化学气相沉积热解碳界面层，发明人发现，不仅结合性能会下降，而且均匀性也远不如本发明。

13、优选的方案，所述含硼溶液，按质量百分比计，组成如下：氧化硼3～9％，无水乙醇90～96％；pvb 1～2％。

14、优选的方案，所述sic纤维的走丝速度为0.3～3m/min，优选为0.5～2m/min。

15、在本发明中，sic纤维或sic纤维束的走丝速度是指运动中的单根sic纤维或sic纤维束在放丝装置的引导下所产生的线速度。将走丝速度控制在本发明范围内，可以高效的获得均匀的bn涂层。

16、优选的方案，所述氮气和氨气的流量体积比为0.8～3:0.5～5。将氮气和氨气的流量体积比控制在上述范围内，效率最高。

17、优选的方案，所述高温炉的温度为1200～1500℃。

18、优选的方案，所得bn涂层的厚度为100～800nm，晶粒尺寸为5～50nm。

19、优选的方案，所述于sic纤维表面形成bn涂层后，先经过无水乙醇，然后再经收丝装置收丝。

20、优选的方案，所述连续化设备包含放丝装置、容器a，高温炉、容器b、收丝装置；所述容器a与容器b位于高温炉的两侧，并与高温炉贯通；所述容器a中装有含硼溶液，所述容器b装有无水乙醇。

21、本发明的有益效果：

22、1、本发明在sic纤维上制备的bn涂层，厚度均匀可控，且所得sic纤维束平直度好，可编织性强，可大幅提高陶瓷基复合材料的性能与均匀性。

23、2、本发明在sic纤维上制备bn涂层的温度高，涂层结晶性好，稳定性高，在复合材料的制备过程中可有效保护纤维。

24、3、本发明所用设备简单，原料成本低，效率高。

技术特征：

1.一种连续制备sic纤维表面bn涂层的方法，其特征在于：先于sic纤维表面预先设置碳涂层，然后再置于连续化的设备中，将sic纤维由放丝装置中放出，先浸润在含硼的溶液中获得被含硼薄膜包裹的sic纤维，然后将被含硼薄膜包裹的sic纤维继续经过高温炉于sic纤维表面形成bn涂层，再经收丝装置收丝；

2.根据权利要求1所述的一种连续制备sic纤维表面bn涂层的方法，其特征在于：所述sic纤维包含单丝sic纤维与sic纤维束。

3.根据权利要求1所述的一种连续制备sic纤维表面bn涂层的方法，其特征在于：所述sic纤维表面预先设置碳涂层的方式为：将sic纤维置于加热炉中，通入氯气气氛，于500～800℃保温1～5h即得。

4.根据权利要求1所述的一种连续制备sic纤维表面bn涂层的方法，其特征在于：所述sic纤维的走丝速度为0.3～3m/min。

5.根据权利要求1所述的一种连续制备sic纤维表面bn涂层的方法，其特征在于：所述氮气和氨气的流量体积比为0.8～3:0.5～5。

6.根据权利要求1所述的一种连续制备sic纤维表面bn涂层的方法，其特征在于：所述高温炉的温度为1200～1500℃。

7.根据权利要求1所述的一种连续制备sic纤维表面bn涂层的方法，其特征在于：所得bn涂层的厚度为100～800nm，晶粒尺寸为5～50nm。

8.根据权利要求1所述的一种连续制备sic纤维表面bn涂层的方法，其特征在于：于sic纤维表面形成bn涂层后，先经过无水乙醇，然后再经收丝装置收丝。

9.根据权利要求1所述的一种连续制备sic纤维表面bn涂层的方法，其特征在于：所述连续化设备包含放丝装置、容器a，高温炉、容器b、收丝装置；所述容器a与容器b位于高温炉的两侧，并与高温炉贯通；所述容器a中装有含硼溶液，所述容器b装有无水乙醇。

技术总结
本发明公开了一种连续制备SiC纤维表面BN涂层的方法，先于SiC纤维表面预先设置碳涂层，然后再置于连续化的设备中，将SiC纤维由放丝装置中放出，先浸润在含硼的溶液中获得被含硼薄膜包裹的SiC纤维，然后将被含硼薄膜包裹的SiC纤维继续经过高温炉于SiC纤维表面形成BN涂层，所述高温炉中通入氮气和氨气的混合气氛；再经收丝装置收丝，本发明在SiC纤维上制备BN涂层的温度高，涂层结晶性好，稳定性高，在复合材料的制备过程中可有效保护纤维。

技术研发人员：黄小忠,易君,吴李聪,肖义凡
受保护的技术使用者：湖南泽睿新材料有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29