[发明专利]一种纤维表面碳化硅涂层的低成本制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳化硅涂层的制备方法，特别是涉及一种纤维表面碳化硅涂层的低成本制备方法。

背景技术

纤维增强陶瓷基复合材料因具有高比强度、高比模量、抗腐蚀、耐高温和抗氧化等优异性能受到世界各国的高度重视，并已在航空航天、国防、汽车等领域发挥着举足轻重的作用。界面相对陶瓷基复合材料的性能起着决定性作用，结合适中的界面有利于纤维脱粘、裂纹转向、裂纹桥接、纤维断裂和最终的纤维拔出而达到增韧的目的。纤维表面涂层是控制界面相的有效手段，不仅可以控制复合材料的界面结合强度，改善纤维与基体的相容性，还可以保护纤维免受制备和使用过程中环境的腐蚀、氧化及机械损伤，对改善复合材料的性能具有重要意义。

碳化硅材料具有低密度、难熔性、热膨胀系数低和抗氧化性优良等特点，适合用做耐高温抗氧化涂层。目前，制备SiC涂层的主要方法有化学气相沉积法、包埋法、热喷涂及先驱体转化法等，其中化学气相沉积法适合在纤维及编织体上制备涂层。目前化学气相沉积法常采用氯硅烷，特别是甲基三氯硅烷（CH₃SiCl₃）与氢气为先驱体制备SiC涂层，但以这类先驱体制备SiC涂层存在以下缺点：原料有腐蚀性且易燃易爆；产生有毒和腐蚀性的HCl气体；设备腐蚀严重；废气污染环境且难以处理；制备温度高；生长速度慢；制备成本高等。

发明内容

为克服上述现有技术的缺陷，本发明提供一种原料无毒，对设备无腐蚀，对环境污染小，制备温度低，生长速率快的纤维表面碳化硅涂层的低成本制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种纤维表面碳化硅涂层的低成本制备方法，包括以下步骤：

（1）将纤维或纤维编织体置于丙酮中超声清洗5-10min，以去除表面污物，干燥后，放入沉积炉膛内；

（2）对沉积炉膛进行抽真空、充氮气操作，重复2-4次（优选3次），以除去炉膛内残留空气；

（3）升温速度升温至500-1000℃（优选800-900℃），待温度稳定后，对沉积炉膛抽真空至1-10kPa（优选2-5kPa）；

（4）向沉积炉膛内导入载气和稀释气体，载气流量10-500mL/min（优选100-300mL/min），稀释气体流量10-500mL/min，系统压强维持在1-10kPa（优选2-5kPa）；前驱体液态低分子碳硅烷（RLPS）放在保温温度为0-25℃的鼓泡瓶中，载气通过鼓泡的方式将液态低分子碳硅烷带入沉积炉内，液态低分子碳硅烷分解形成SiC，并逐渐沉积在纤维表面，沉积时间为1-120min（优选30-60min）；

（5）沉积结束后，停止通入载气，关闭真空泵，在稀释气体保护下，随炉冷却至室温，取出SiC涂层的纤维或纤维编织体，即成。

进一步，步骤（4）中，前驱体液态低分子碳硅烷为聚二甲基硅烷400-600℃热解重排合成聚碳硅烷时产生的副产物，是以Si-Si键及Si-C键构成主链的碳硅烷低聚物，数均分子量低于600。

进一步，步骤（1）中，所述纤维为碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、玻璃纤维、氮化硅纤维或莫来石纤维；所述纤维编织体为碳纤维编织体、碳化硅纤维编织体、石英纤维编织体、玻璃纤维编织体、氮化硅纤维编织体或莫来石纤维编织体。

进一步，步骤（4）中，所述载气为氮气或氩气（优选氮气）；所述稀释气体为氮气或氩气（优选氮气）。

本发明采用化学气相沉积法，以液态低分子碳硅烷（RLPS）作为先驱体，以氮气或氩气为载气和稀释气体，在碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、玻璃纤维、氮化硅纤维或莫来石纤维等纤维表面制备碳化硅涂层，所述原料液态低分子碳硅烷是聚二甲基硅烷400-600℃热解重排合成聚碳硅烷时产生的副产物，其结构为线性或环状，室温下为液态，无毒无腐蚀性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）所使用的前驱体RLPS无毒、无腐蚀性，是聚碳硅烷合成过程的副产物，可实现废物的有效利用，原料成本低；

（2）尾气为未完全分解的低分子碳硅烷类物质和氮气等气体，无腐蚀性气体产生，对环境污染小，可降低尾气处理的成本；

（3）对设备腐蚀性小，可降低设备维护和设备更换费用；

（4）沉积温度低，沉积速率快，提高了沉积效率，从而降低了成本；

（5）可以在各种纤维及编织体表面沉积，涂层均匀致密。

本发明工艺简单，利用常规化学气相沉积的生产设备便可实施，成本低，易于工业化，可以应用于工业大规模生产纤维增强复合材料的界面涂层。

附图说明