[发明专利]三维碳化硅纤维预制件增强氧化钇-氧化铝复相陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种三维碳化硅纤维预制件增强氧化钇‑氧化铝复相陶瓷复合材料及其制备方法，该复合材料包括三维碳化硅纤维预制件和氧化钇‑氧化铝复相陶瓷，氧化钇‑氧化铝复相陶瓷中，Al₂O₃的摩尔含量为5%～95%，氧化钇‑氧化铝复相陶瓷均匀填充于三维碳化硅纤维预制件的孔隙中，三维碳化硅纤维预制件增强氧化钇‑氧化铝复相陶瓷复合材料的孔隙率为8%～14%。制备方法包括：（1）制备氧化钇‑氧化铝复合溶胶；（2）浸渍；（3）干燥；（4）热处理；（5）重复步骤（2）～（4）的浸渍－干燥－热处理过程。该复合材料具有低孔隙率、高致密度、耐高温、抗氧化和力学性能优良等优点，该制备方法制备效率高，且显著提高了所制备的复合材料的致密度和力学性能。

技术领域

本发明涉及耐高温的纤维增强陶瓷基复合材料技术领域，尤其涉及一种三维碳化硅纤维预制件增强氧化钇-氧化铝复相陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

氧化钇-氧化铝复相陶瓷是一种优良的耐高温陶瓷材料，具有耐高温、抗氧化、耐蠕变、耐腐蚀等优点。在氧化钇-氧化铝二元体系中存在3 种过渡型化合物，分别是立方晶系的钇铝石榴石(yttrium aluminum garnet，YAG，组成为3Y₂O₃·5Al₂O₃)、单斜晶系的钇铝单斜相(yttrium aluminum monoclinic，YAM，组成为2Y₂O₃·Al₂O₃)以及畸变的钙钛矿结构和六方晶型的铝酸钇(yttrium aluminum perovskite，YAP，组成为Y₂O₃·Al₂O₃)，它们作为耐高温增强纤维、热障涂层等得到一定研究。其中，YAG得到最多关注和深入研究，但主要是作为透明陶瓷应用于激光器方面的研究，作为耐高温结构材料的研究并不多。

作为单体陶瓷，氧化钇-氧化铝复相陶瓷的力学性能并不理想，尤其是断裂韧性。有报道，热压烧结YAG陶瓷的强度约为240MPa，断裂韧性仅为1.5～2.0MPa·m^1/2，改用新型放电等离子体（SPS）烧结，强度得到了明显提高（达到348MPa），但断裂韧性仍仅为2.1MPa·m^1/2。如此低的断裂韧性导致单体氧化钇-氧化铝复相陶瓷很难作为结构材料获得实际应用，特别是在具有较大机械载荷冲击、热冲击的场合，必须要进行增韧处理。

在陶瓷基体中引入纤维，已经被证明是能够显著提高断裂韧性的最为有效的增韧方法。碳化硅纤维耐高温，抗氧化，拉伸强度和模量高，作为高性能陶瓷基复合材料的增强相越来越受到重视，特别是应用于长寿命抗氧化的场合。因此，若能将碳化硅纤维与氧化钇-氧化铝复相陶瓷复合在一起，结合两者的优势，理论上有望获得兼具耐高温、抗氧化、高强度、高韧性的纤维增强氧化钇-氧化铝复相陶瓷复合材料。

按照纤维在复合材料中的排布方式，即纤维预制件的结构形式，可以分为一维、二维、三维预制件增强复合材料。一维复合材料是指将纤维束通过陶瓷基体粉末配制成的泥浆（浆料中有粘接剂将陶瓷粉末粘附在纤维上）缠绕成无纬布，再将无纬布按不同方向、不同角度铺层，或者直接按不同方向、不同角度缠绕成所需形状，然后经高温无压或者热压烧结得到的复合材料。二维复合材料是指通过涂刷、浸涂陶瓷基体粉末配制成的泥浆等方式在纤维布表面粘附上陶瓷基体，将纤维布叠层后，经高温无压或者热压烧结得到的复合材料。三维复合材料是指先将纤维制作成三维立体的预制件，然后通过气相法、液相法等手段将陶瓷基体引入预制件中所得到的复合材料。相比较而言，三维复合材料的整体性较优（一维和二维复合材料的面内、层间性能较弱），纤维含量与排布方向性的可设计性强，更加适用于复杂形状构件的制备。