[发明专利]一种硅酸钇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

本发明涉及一种硅酸钇改性碳化硅纤维增强碳化硅复合材料及其制备方法。所述方法包括：(1)在碳化硅纤维预制体的表面依次制备一层硅酸钇界面层和一层碳化硅界面层，制得硅酸钇改性碳化硅纤维预制体；(2)用碳前驱体溶液浸渍步骤(1)制得的硅酸钇改性碳化硅纤维预制体，然后将浸渍后的硅酸钇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，制得硅酸钇改性SiC/SiC复合材料。本发明制得的硅酸钇改性SiC/SiC复合材料具有优异的抗氧化性能、耐温性能以及抗水蒸气腐蚀性能等，综合性能优异。

技术领域

本发明属于航空航天材料制备技术领域，尤其涉及一种硅酸钇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

目前航空发动机使用的高温材料主要是高温合金。与高温合金相比，碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC/SiC复合材料)的工作温度可提升400℃以上，结构减重30％以上，是新一代航空发动机实现高推重比和减重增效的首选材料。美国通用电气公司(GE)的HiperCompTM系列SiC/SiC复合材料已经实现商业化，能够批量化生产，也已经成功应用于多种航空发动机型号上。

SiC/SiC复合材料是纤维增韧陶瓷基复合材料的一种，一般包括纤维预制体、纤维界面层和陶瓷基体；其中，碳化硅纤维(SiC纤维)能起到明显的增韧作用，增加复合材料的强度和韧性，碳化硅陶瓷基体(SiC陶瓷基体)能够抵抗发动机服役环境的热冲击和氧化环境，纤维和基体之间的纤维界面层是连接纤维预制体和陶瓷基体的过渡材料，在复合材料中尤为重要，纤维界面层首先能够起到保护纤维不被损坏的作用，然后通过自身内部微晶之间的滑移，起到偏转基体裂纹的作用。

目前常用的界面层是热解碳界面层(PyC界面层)和氮化硼界面层(BN界面层)，二者均具有层状结构，层内是六方晶格，层间靠弱分子间作用力相互作用，能够发生微小滑移释放应力。但这两种界面层有一定局限性，尤其在有氧有水的氧化环境中；PyC界面层在400℃以上性能下降严重，BN界面层在800～900℃以上性能也会损失性能，目前BN界面层在实验室有氧环境使用极限条件是1200℃。另外，BN界面层材料有多种晶相，高温下容易发生晶相转变，从而降低其性能，且BN界面层容易被水环境腐蚀，会限制SiC/SiC复合材料的使用。

由于目前SiC/SiC复合材料的制备方法的限制，目前制备的SiC/SiC复合材料基体内部会含有少量游离氧，因此现有采用PyC界面层和BN界面层的纤维在高温下有很大损坏的风险，导致复合材料性能降低。随着航空发动机推重比要求的提高，发动机热端部件所服役的热环境和氧化环境越来越苛刻，因而对未来空天飞行器发动机的性能提出了更高的要求，材料的服役温度需高于1400℃。而现有陶瓷基复合材料的耐温性能、抗氧化性能以及抗水蒸气腐蚀性能等均有待提高。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种硅酸钇改性碳化硅纤维增强碳化硅复合材料及其制备方法。本发明制得的硅酸钇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、耐温性能以及抗水蒸气腐蚀性能等。

为了实现上述目的，本发明在第一方面提供了一种硅酸钇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依次制备一层硅酸钇界面层和一层碳化硅界面层，制得硅酸钇改性碳化硅纤维预制体；

(2)用碳前驱体溶液浸渍步骤(1)制得的硅酸钇改性碳化硅纤维预制体，然后将浸渍后的所述硅酸钇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，制得硅酸钇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硅酸钇界面层，所述溶液浸渍法包括如下步骤：