[发明专利]在连续纤维上制备连续热解炭涂层的方法

说明书

本发明公开了一种在连续纤维上制备连续热解炭涂层的方法，包括准备CVD设备，CVD设备为反应腔中允许纤维连续通过的CVD设备，将连续纤维的一端穿过反应腔，使反应腔中的连续纤维处于平直、拉紧状态：将CVD设备的反应腔抽真空至20Pa以下，先加热至800℃～900℃，然后加热至反应温度950℃～1200℃，通入反应气体与载气，并使连续纤维连续地穿过反应腔，从而在连续纤维上形成连续热解炭涂层。本发明的方法可保证所得热解炭涂层纤维外观平直，纤维无弯曲、扭折及成捻等现象，形状完整，厚度可控，力学性能好，可大批量连续生产。

技术领域

本发明属于纤维涂层制备技术领域，涉及一种新型连续热解炭涂层的制备方法，具体涉及一种在连续纤维上制备连续热解炭涂层的方法。

背景技术

在连续纤维增强复合材料体系中，除了纤维与基体部分，界面也是该体系复合材料的关键组成部分。一般来说，良好的界面能起到保护纤维、有效传递载荷、调节纤维与基体间的热匹配、提高纤维与基体间的化学相容性、阻止或抑制纤维氧化的重要作用，不仅影响复合材料的力学性能，同时还影响着复合材料的耐高温和抗氧化性能。

目前，对于SiC_f/SiC复合材料体系中的多种SiC纤维，已有诸如弱界面、层状晶体结构界面、(X-Y)_n多层界面相、多孔材料及其他新型界面等多种界面结构被针对性地提出。它们的总体思路都是想让基体裂纹在界面相处发生偏转、扩展或分叉，使得裂纹在界面与基体间、界面与纤维间或者界面内部传播，从而达到增加复合材料体系断裂能，进一步发挥SiC纤维增韧作用的目的。

其中，层状晶体结构界面的内部为片层状结构，其原子面间的结合力为范德华力，该种界面的层间结合力不强、剪切强度较低。当裂纹扩展到层状晶体结构界面处时，易在片层状结构内发生偏转与分叉，这一过程需要消耗更多能量，增加了材料的断裂能，从而提高了复合材料体系的韧性。热解炭涂层（PyC）与六方氮化硼涂层（h-BN）是典型的层状晶体结构界面，它们不仅在SiC_f/SiC复合材料体系中表现出很好的改善材料脆性的能力，而且能通过合适的方法稳定制备得到，成为目前SiC_f/SiC复合材料体系中应用最为广泛的两种界面。

在核用SiC_f/SiC复合材料体系中，PyC作为一种最常用层状晶体结构界面得到了研究者们的普遍关注。PyC可采用多种制备工艺得到，如化学气相沉积法、先驱体裂解工艺、溶胶凝胶工艺以及原位合成法。其中，化学气相沉积工艺为制备PyC的最常用方法，它一般采用含碳先驱体（如甲烷、丙烯丙烷）为反应气体，以N₂、Ar或H₂为载气，在一定的反应温度及气氛压力下沉积得到PyC。

然而以传统的CVD方法制备界面相的方法也存在一些不足：一般来说，当前以CVD方法制备涂层时是将SiC纤维的预制件或三维编织体整体放入封闭炉腔中，在一定的反应气体和工艺条件下进行沉积后，得到具备涂层的SiC纤维预制件或编织体。这样在涂层的制备时预制件或编织体的尺寸和形状便会受到封闭炉腔大小的限制，并且同批次产品可能由于炉内气氛的分布不均而存在沉积效果的差异；对于尺寸较大或者某方向气密性很好（如具有金属内衬的SiC纤维薄壁管预制件）的预制件，由于反应气氛难以进入编织结构内部或易在预制件一侧沉积，导致界面相在预制体不同区域中沉积状况不一，难以按工艺条件的设定得到可控均匀的界面相涂层。

对此，有研究者将连续SiC纤维团簇成球状或将纤维均匀缠绕于石墨体上进行CVD沉积，以期在成束的连续SiC纤维上制备均匀涂层，再用这种涂层SiC纤维进行后续复合材料的制备。然而这种方法制得的SiC纤维又因团簇和缠绕时纤维发生弯曲、扭折、相互搭接，致使沉积后的SiC纤维产生残余变形和纤维束之间交联、粘接，影响了SiC纤维后续的使用。因此，为了最终制备得到的SiCf/SiC复合材料在各区域的纤维上都具备成分稳定、厚度均匀的界面，需要发展一种新的SiC纤维涂层制备方法来完善当前的CVD工艺。这种新方法需要解决上述CVD工艺存在的问题，可在连续的SiC纤维束上沉积得到稳定、均匀的涂层。

发明内容