[发明专利]一种纤维增强陶瓷基复合材料用界面层及其筛选方法

说明书

本发明涉及一种纤维增强陶瓷基复合材料用界面层及其筛选方法，所述纤维增强陶瓷基复合材料用界面层的组分为SiBN，其中Si的含量为2.01～25.19at%，B的含量为49.03～73.32at%，N的含量为22.38～40.97at%，各组分百分含量之和为100at%。

技术领域

本发明涉及一种纤维增强陶瓷基复合材料用的界面层及其筛选方法，属于复合材料界面相领域。

背景技术

连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(CMCs)由于其具备耐高温、抗氧化、高比强度、高比模量、良好的热学及化学稳定性等性能，是目前研究的最具应用前景的高温结构材料，然而在CMC的制备过程中，由于纤维与基体之间热膨胀系数差异的存在，往往导致基体内部存在不同程度的微裂纹。另外由于化学气相沉积和前驱体浸渍裂解法两种工艺本身存在的缺陷，导致最终材料致密化后依旧会存在一定的孔隙，环境中含氧组分如O₂和水蒸气极易通过微裂纹和孔隙直接侵蚀纤维，致使纤维发生氧化，造成纤维强度损伤，材料最终发生脆性断裂，使用寿命大大缩短。这对于材料在高温氧化环境下的长期稳定使用是致命缺陷。

为解决此问题，常在纤维表面预先制备一层厚度几十纳米到几微米后的抗氧化界面层，这层界面的存在可以有效的提高材料的强度，同时又能对纤维起到良好的保护作用。目前常用的界面相比如PyC、BN等界面可以有效的对材料内部产生的裂纹进行偏转，促使大量裂纹不直接扩展至纤维表面，而是在离纤维表面一定距离处发生偏转，这种作用机制的存在可以显著改善材料的强度和韧性，这是基于界面与纤维之间结合强导致的，致使裂纹可以在PyC与BN界面层内部发生偏转，但是由于PyC界面会在370℃左右氧化生成CO挥发掉，BN界面在500℃左右水蒸气环境下氧化生成气态HBO₃、H₃BO₃等物质挥发掉，造成纤维表面界面相的缺失，因此造成纤维与基体间强界面结合，材料脆性断裂。根据已有相关研究报道，SiBN界面相对于BN界面具备更为优良的抗氧化性，它氧化生成硼硅酸盐可以有效的愈合裂纹，阻止含氧组分进一步侵蚀纤维，具备良好的抗氧化和力学增强效果。

目前国内外关于SiBN界面研究的报道甚少，且SiBN界面涂层的制备由于在单一温度条件下进行，界面涂层制备效率低，而温度在SiBN界面涂层元素组成含量及界面均匀性方面起着重要关键因素，不同组分界面涂层对材料性能影响很大，为加快材料制备及筛选速率，有必要开发出一种高通量的筛选方法，以期单次沉积时尽可能制备出不同组分材料。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明提供了一种纤维增强陶瓷基复合材料用SiBN界面层及其高通量筛选方法和应用。

一方面，本发明提供了一种纤维增强陶瓷基复合材料用界面层，所述界面层的组分为SiBN，其中Si的含量为2.01～25.19at％，B的含量为49.03～73.32at％，N的含量为22.38～40.97at％，各组分百分含量之和为100at％。

在本发明中，SiBN界面层对材料力学具备良好的强韧化效果，作为界面相使用在一定程度上可以保护纤维免受高温环境侵蚀。

较佳的，Si的含量为2.01～9.34at％，B的含量为53.37～73.32at％，N的含量为22.38～40.97at％，各组分百分含量之和为100at％。

较佳的，所述界面层的厚度为20nm～2000nm。

另一方面，本发明还提供了一种上述纤维增强陶瓷基复合材料用的界面层的筛选方法，包括：

(1)将纤维预制体放入水平卧式管式炉中前、中、后三个温度区域并抽真空，再升温至700～950℃下保温30～180分钟；