[发明专利]一种氮化硅纤维增强陶瓷基复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于结构‑功能一体化陶瓷基复合材料技术领域，特别是涉及到一种氮化硅纤维增强陶瓷基复合材料及其制备方法。复合材料由三部分组成分别为：氮化硅纤维、石英基基体和纤维与基体间界面涂层组成，石英基基体成分为氧化硅、氧化铝和氧化硼，按照氧化硅:氧化铝:硼酸的质量比为70％～90％:23％～8％:2％～7％的配比混合，界面涂层为硅‑铝‑氧涂层和硅‑氮‑氧涂层其中一种或两种的组合。从而进一步提高复合材料的高温力学性能保留率。实现在高马赫飞行条件下对复合材料耐高温、高可靠、可重复使用的目标，满足临近空间高超声速飞行器的天线窗口材料的使用要求。

技术领域

本发明属于结构-功能一体化陶瓷基复合材料技术领域，特别是涉及到一种氮化硅纤维增强陶瓷基复合材料及其制备方法。

背景技术

透波材料的研究开始于二十世纪四五十年代，早期的透波材料以树脂和树脂基复合材料为主，应用对象多为低马赫数的导弹天线罩。随着导弹向高马赫数和高机动方向发展，对天线罩透波材料的耐热性和高温承载等性能提出了更高的要求，陶瓷透波材料逐渐成为研究重点，并逐渐从氧化物体系向氮化物体系转变，材料体系则向复相陶瓷及陶瓷基复合材料方向发展。耐高温透波材料的发展历程先后经过微晶玻璃、单相陶瓷、复相陶瓷再到连续纤维增强陶瓷基复合材料。单相陶瓷和复相陶瓷本质上仍然是脆性材料，存在韧性差、大尺寸构件难成型及可加工性较差等缺点，尤其是抗热震性能已成为制约单相及复相陶瓷类高温透波材料进一步应用的瓶颈。二十世纪八十年代以来，随着高超声速飞行器、再入飞行器以及临近空间作战飞机研制需求的提出，天线罩的耐高温性能、抗冲击性、耐热氧化、可靠性和可重复使用性能面临极大挑战，连续纤维增强陶瓷基复合材料逐渐成为高热力状态下天线窗口材料的主要选择。

现在主要的技术方案为石英纤维增强石英陶瓷基复合材料和氮化物纤维增强氮化物陶瓷基复合材料两个体系。

石英纤维增强石英陶瓷基复合材料较为成熟，该材料采用溶胶-凝胶工艺，首先将溶胶浸渍纤维预制体，溶胶经过陈化在一定条件下转变为具有三维空间结构的凝胶，之后再经过干燥和烧结流程，制备出陶瓷基复合材料。目前大多数石英纤维增强石英陶瓷基透波天线罩材料是采用溶胶-凝胶工艺制备的。该材料体系的优点是：原材料石英纤维和氧化硅溶胶都完全实现国内自主可控，制备工艺相对简单，对设备要求不高；缺点是：(1)石英纤维耐高温性能较低，在复合材料制备过程中，需要高温烧结，对纤维力学性能产生很大影响；(2)该复合材料力学性能较低，主要表现在室温力学强度较低，高温力学性能保留率不高，难以在1000℃以上长时间使用或重复性使用，不能满足现在临近空间飞行器高马赫数长时间使用以及重复性使用的要求。

氮化硅纤维增强氮化物陶瓷基复合材料往往采用先驱体浸渍裂解工艺制备而得，该工艺是将纤维预制体或者多孔材料充分浸渍于有机先驱物中，浸渍完成后在一定温度下发生交联固化，最后转入到裂解炉中在一定的温度和气氛下裂解。经裂解反应后，有机先驱体转化为陶瓷基体，再对基体进行进一步烧结，进而得到纤维增强陶瓷基复合材料。.该复合材料的缺点主要有三个：(1)由于氮化物纤维受到国外技术封锁，国内高质量氮化物纤维近两年才去的突破性进展，导致氮化物纤维增强陶瓷基复合材料研究进展慢的主要原因；(2)氮化物纤维与氮化物基体之间在高温烧结制备过程中容易在纤维和基体界面发生界面反应，使纤维和基体发生强结合，使复合材料在破坏过程中发生脆性断裂。

(1)本发明选用耐温性高的氮化硅纤维作为增强材料，采用氮化硅纤维展宽布叠层缝合工艺制备氮化硅纤维预制体作为复合材料的增强体。氮化硅纤维展宽布，大大减少纤维束之间的勾联，可有效提高纤维布的拉伸强度，进而提高复合材料的抗拉强度。

(2)通过增强体氮化硅纤维表面界面涂层的制备，可有效的修复纤维表面微裂纹，提高纤维的强度，同时使纤维和基体之间形成“弱界面”结合状态，避免复合材料发生脆性断裂，涂层为耐高温性涂层可提高复合材料的高温力学性能。

(3)采用氧化硅溶胶、氧化铝溶胶和硼酸为原料，通过混合溶胶的配制，在保证陶瓷复合材料基体材料电性能的前提下，提高石英基体的耐温性和基体的自修复能力。