[发明专利]一种磷酸铈改性碳化硅纤维增强碳化硅复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种磷酸铈改性碳化硅纤维增强碳化硅复合材料及其制备方法。所述方法：(1)在碳化硅纤维预制体的表面交替制备磷酸铈界面层和碳化硅界面层直至达到预定厚度或预定层数，制得改性碳化硅纤维预制体；(2)用碳前驱体溶液浸渍改性碳化硅纤维预制体，然后将浸渍后的改性碳化硅纤维预制体依次经过固化步骤和裂解步骤；(3)至少重复步骤(2)一次，制得多孔碳化硅纤维预制体；和(4)将制得的多孔碳化硅纤维预制体进行液硅熔渗反应，制得磷酸铈改性碳化硅纤维增强碳化硅复合材料。本发明制得的磷酸铈改性碳化硅纤维增强碳化硅复合材料具有优异的抗氧化性能、耐温性能以及抗热冲击性能等，高温下综合性能优异、使用寿命长。

技术领域

本发明属于航空航天材料制备技术领域，尤其涉及一种磷酸铈改性碳化硅纤维增强碳化硅复合材料及其制备方法。

背景技术

航空发动机被称为工业皇冠上的明珠，目前发动机热端部件采用的是高温合金材料，但随着发动机推重比要求的提高，该类材料已经到了使用极限。碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC/SiC陶瓷基复合材料)因其高强度、密度低、耐高温等特性，被认为是替代高温合金材料的理想材料。SiC/SiC陶瓷基复合材料的密度只有高温合金材料的三分之一，且能够抵抗更高温度的热氧化环境，能明显提升发动机的推重比，满足未来航空和空天飞行器的服役环境要求。

SiC/SiC陶瓷基复合材料主要由碳化硅纤维(SiC纤维)、纤维界面层、碳化硅陶瓷基体(SiC陶瓷基体)以及外表面涂层等部分组成。其中纤维界面层尤为重要，能够在SiC纤维和SiC陶瓷基体之间起良好的过渡作用。现阶段常用的纤维界面层是热解碳(PyC)界面层和氮化硼(BN)界面层；由于PyC和BN特殊的层状结构，这两类界面层材料在应力作用下晶体间能发生微小滑移，从而实现偏转陶瓷基体产生的裂纹和释放能量的作用，保持复合材料具有良好的力学性能和韧性。通常采用PyC界面层或BN界面层的复合材料与无界面层的SiC/SiC复合材料相比，其力学性能会相差3～5倍。

由于发动机使用时处在超高温有氧环境，界面层的抗氧化能力变得十分重要，但由于PyC界面层和BN界面层自身抗氧化能力的不足，限制了材料的使用温度和使用寿命。PyC界面层在400℃以上就会因为氧化使复合材料性能下降，BN界面层在高于800℃的氧化环境中性能也会损失。随着航空发动机对陶瓷基复合材料的性能要求的提高，目前的陶瓷基复合材料的耐温性能、抗氧化性能以及高温下的力学性能等均有待进一步提高。因此需要开发新的纤维界面层来提升SiC/SiC复合材料的性能，以满足未来航空发动机更高温度、更严酷氧化环境的使用需求。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种磷酸铈改性碳化硅纤维增强碳化硅复合材料及其制备方法。本发明制得的磷酸铈改性碳化硅纤维增强碳化硅复合材料具有优异的抗氧化性能、耐温性能以及抗热冲击性能等，高温下综合性能优异、使用寿命长。

为了实现上述目的，本发明在第一方面提供了一种磷酸铈改性碳化硅纤维增强碳化硅复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)在碳化硅纤维预制体的表面交替制备磷酸铈界面层和碳化硅界面层直至达到预定厚度或预定层数，制得由交替制备的磷酸铈界面层和碳化硅界面层组成的复合界面层改性的改性碳化硅纤维预制体；

(2)用碳前驱体溶液浸渍步骤(1)制得的改性碳化硅纤维预制体，然后将浸渍后的所述改性碳化硅纤维预制体依次经过固化步骤和裂解步骤；

(3)至少重复步骤(2)一次，制得多孔碳化硅纤维预制体；和(4)将步骤(3)制得的多孔碳化硅纤维预制体进行液硅熔渗反应，制得磷酸铈改性碳化硅纤维增强碳化硅复合材料。

优选地，通过溶液浸渍法制备所述磷酸铈界面层，所述溶液浸渍法包括的步骤为：将所述碳化硅纤维预制体置于磷酸铈前驱体溶液中浸渍10～50min，然后将浸渍后的所述碳化硅纤维预制体依次经过干燥步骤和热处理步骤，从而在所述碳化硅纤维预制体的表面制得一层所述磷酸铈界面层。