[发明专利]处理陶瓷纤维的方法

说明书

技术领域

本发明涉及在制造复合材料中用作增强件的陶瓷纤维。

背景技术

陶瓷纤维表现出比那些相应的单石陶瓷更强的机械性质，如断裂应力和卫普(Weibull)模量，这主要是由于被加压的小体积和小的缺陷数量。

尽管如此，陶瓷纤维的机械性质仍受到与用于制备和/或处理它们的技术(纤维拉伸、热解、烧结、摩擦等)相关的缺陷的存在的限制。尽管这些缺点基本上位于纤维表面，但这些缺点显著影响纤维的机械性能。就纤维而言，这种缺陷的存在导致有限的断裂应力、相对较低的卫普模量，以及对于应用(如航空发动机中的热部件)而言过短的在恒定中等温度下在负载下在空气中的寿命。

文献US 6 579 833描述了通过在诸如碳化硅(SiC)的金属碳化物表面上的合成而能够形成碳涂层的方法。文献WO 2005/007566描述了所述方法用于形成具有受控孔隙率的微孔碳的应用。所述方法实施了基于卤素气体的反应性热处理，从而在碳表面产生微孔碳层。

所述方法已应用于陶瓷纤维(ZMI，Hi-NicalonSylramicTyranno纤维)，如在文献“Carbide Derived Carbon(CDC)Coatings for Tyranno ZMI SiC Fibers”，Y.Gogotsi等人，Ceram.Eng.& Sci.Proc.，24，pp.57-62(2003)和“Mechanical Properties of Carbon and BN Coated SiC Fibers”，Y.Gogotsi等人，Ceram.Eng.& Sci.Proc.，24，pp.225-230(2003)中所述，其中观察到纤维表面上碳层的形成，但其机械性质(在环境温度下的单调牵引)无任何改进。

在文献WO 2005/092610中，在卤素气体下对陶瓷纤维应用热处理也用作在硼-铝-氮(BAN)型陶瓷纤维(例如由BN和Al(O)N的混合物形成)上制备涂层的方法的中间步骤以改进陶瓷复合材料的抗氧化能力。

尽管提供有这种涂层的陶瓷纤维显示出在环境温度下改进的机械性质，但它们的抗氧化能力和它们的寿命仍然保持不足。

发明内容

本发明的一个目的是通过提出一种方法而弥补那些缺点，所述方法使得基于金属碳化物的陶瓷纤维的机械行为能够得以改进，并因此使得陶瓷纤维在其中构成增强件的复合材料的机械行为能够得以改进。

根据本发明，该目的通过如下事实而实现：使陶瓷纤维，特别是基于诸如碳化硅的金属碳化物的那些陶瓷纤维经受：

·使用至少一种卤素型第一试剂气体进行的第一试剂气体热处理，其化学转化纤维表面以获得主要由碳构成的表面层；以及

·使用至少一种第二试剂气体进行的第二试剂气体热处理，其消除在化学转化过程中形成的表面层。

用不同的适当试剂气体的这两个热处理的使用使得有可能从纤维完全消除含有缺陷的表面材料层，所述缺陷对限制纤维的机械性能和寿命具有最大影响。所得纤维与初始纤维具有相同的化学性质(包括在其表面上)，但所得纤维具有增加的寿命和机械性质(特别是有关在空气中的静态疲劳)。在第一和第二反应气体热处理之后，陶瓷纤维显示出的在空气中的平均静态疲劳寿命比在所述处理之前所表现的在空气中的平均静态疲劳寿命大10倍。

第一试剂气体选自至少：二氯(Cl₂)、氯化氢(HCl)和二氟(F₂)。

第二试剂气体选自至少：氧气(O，O₂)、臭氧(O₃)、氨气(NH₃)、蒸汽和氧化气体混合物(如空气)。

在本发明的一个特定方面，取决于纤维直径，在第一热处理过程中形成的表面层显示在10纳米(nm)至1微米(μm)范围内，或甚至2微米的厚度。

在本发明的另一特定方面，所述陶瓷纤维为基于碳化硅的纤维。

第一和第二热处理优选在待处理纤维的热稳定温度以下的温度下进行。

第一和第二热处理在大气压下或在较低压力下进行。

本发明也提供了一种制造纤维预成型体的方法，该方法包括自基于金属碳化物的陶瓷纤维形成纤维结构，且特征在于根据本发明的处理方法处理所述纤维。可在纤维结构形成之前或之后处理所述纤维。