[发明专利]一种陶瓷基复合材料氮化硼界面涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷基复合材料氮化硼界面涂层的制备方法，特别涉及纤维表面和基片表面氮化硼涂层的制备，属于陶瓷基复合材料韧性设计技术领域。

背景技术

陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites)由连续陶瓷纤维、陶瓷基体和由自发形成或人工制备的界面层组成。陶瓷基复合材料具备低密度、高强度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、良好的韧性等优异性能，在我国航空航天方面有重要的应用。如涡扇发动机的燃烧室、固定叶片，导弹天线罩，航天飞行器的热防护系统等。

陶瓷基复合材料的韧性是研究人员们研究的重点，而增韧的关键是有个良好的纤维-基体界面。连续纤维增强陶瓷基复合材料的界面起着传递载荷，能使裂纹偏转、脱结合，从而增加韧性的作用，所以纤维基体之间要有一个适当的弱结合界面。一般为了达到这种作用有两种方法：一是采用多孔的基体，如氧化物复合材料，二是制备纤维涂层。与采用多孔基体相比，制备纤维涂层作为纤维基体的弱结合界面是非常有希望的氧化物复合材料增韧方法。在这种情况下，当基体中的裂纹传播至包覆有涂层的纤维时，裂纹可以在基体/涂层界面、涂层内部、或在涂层/纤维界面中偏转，纤维最后在远离断裂面的地方断裂，最终纤维拔出，拔出过程中纤维的摩擦消耗了一部分载荷，增加了韧性。

同时满足低模量和低剪切强度要求的界面层材料目前一般为热解碳(PyC)和氮化硼(BN)，氮化硼(BN)具有与热解炭相似的层状晶体结构，与热解炭相比，还具有较好的抗氧化性能，氧化后形成的液态B₂O₃能够弥合裂纹，是较好的界面相候选材料，近年来成为界面相研究的重要方面。传统的制备方法有很多缺陷，其中，聚合物转化裂解法先驱体转化率不高，且体积收缩较大，甚至使涂层开裂或在涂层内部形成气泡，因此需要经过多次的涂覆和裂解，造成纤维的粘连；硼酸－尿素法涂层质量低，同时也容易造成纤维粘连；碳热还原法纤维表面总有一部分物质作为反应物参与反应，纤维强度会不同程度地受到一定损伤。而化学气相沉积法设备简单，维护方便，灵活性强，可通过对反应室尺寸和反应气体驻留时间调节来控制涂层厚度，可以从纳米级别到微米级别。并且涂层致密、均匀，可以较好地控制涂层的密度，纯度和晶粒度。

Yu Cheng(Cheng Y，et al.BN coatings prepared by low pressure chemical vapor deposition using boron trichloride–ammonia–hydrogen–argon mixture gases.文献)等人用BCl₃-NH₃-H₂-Ar体系在石墨基底上用低压CVD制备了BN涂层，制备最优的温度、压力分别为1000℃，1000Pa，沉积后得到的是涡轮状的t-BN涂层，经1300℃高温热处理后得到了h-BN。另外，BF₃-NH₃-H₂-Ar体系也用得较多，而BBr₃-NH₃-H₂-Ar体系则较少。Haitang Wu(Haitang Wu,et al.Deposition of BN interphase coatings from B-trichloroborazine and its effects on the mechanical properties of SiC/SiC composites.文献)以Cl₃B₃N₃H₃为单一先驱体，在碳化硅纤维上沉积了BN涂层，研究了沉积温度、反应时间、稀释氢气流量对涂层形貌和晶型的影响，并研究了以此为界面的SiC/SiC的力学性能，发现抗弯有了提高。同时单组元先驱体如B(N(CH₃)₂)₃，H₃B-N(C₂H₅)₃等也得到了验证。