[发明专利]一种纤维增韧陶瓷基复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种纤维增韧陶瓷基复合材料及其制备方法与应用。所述纤维增韧陶瓷基复合材料包括：陶瓷材料基体、界面层以及纤维；所述界面层包括RE_xB_yC_z材料层，其中RE为Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的任意一种或两种以上的组合，x＝1～10，y＝1～20，z＝1～20。本发明中的纤维增韧陶瓷基复合材料中的RE_xB_yC_z材料层具有熔点高、抗氧化性好和耐腐蚀等特点，所得纤维增韧陶瓷基复合材料可在航空航天、核能、半导体、电磁吸收或屏蔽、中子吸收或屏蔽、放射化学、放射医学等领域应用。

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料技术领域，具体涉及一种纤维增韧陶瓷基复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

纤维增韧陶瓷基复合材料具有轻质、高强度、耐高温、耐氧化、耐腐蚀和抗蠕变等优点，在航空航天及核能等领域具有广阔的应用前景。纤维增韧陶瓷基复合材料主要包括纤维、基体、以及纤维-基体之间的界面层三大结构单元。纤维构成陶瓷基复合材料的骨架，是主要承载单元。陶瓷基体在复合材料中主要是填充纤维预制件内部空隙，将纤维束包裹起来，连成一体，起到传递载荷及保护纤维的双重作用。界面层位于纤维与基体之间的结合处，一方面保护纤维，另一方面在基体与纤维之间起桥梁作用，将载荷通过基体传递给纤维；同时，在裂纹扩展时，通过界面脱粘、裂纹偏转与分支等能量耗散机制，阻止裂纹向纤维内部扩展。

因此，纤维表面涂层是纤维增韧陶瓷基复合材料最关键的结构单元之一，是纤维与基体相连接的纽带，也是应力传递的桥梁，其界面结合强度直接决定复合材料的力学性能及破坏/失效模式，是实现复合材料强韧化的关键。通常弱的界面结合有利于碳化硅纤维界面脱粘和拔出，有利于提高复合材料的韧性。而恰当的强界面结合可以使基体裂纹在界面发生偏转与分叉，从而提高复合材料的韧性，并且能将载荷从基体传递到纤维，从而提高复合材料的强度。在高温有氧等极端环境条件下，界面层的耐高温、耐腐蚀、抗氧化等性能面临严峻挑战，往往可能成为最薄弱的环节而最先失效。因此，界面层的结构稳定性至关重要，一定程度上决定了复合材料的服役周期。

目前，纤维增韧陶瓷基复合材料的界面层主要包括热解碳(Pyrolytic Carbon,PyC)、六方氮化硼(Hexagonal-BN)、碳化硅等几种材料体系。PyC是一类被广泛采用的界面层，但在400℃以上氧化气氛下，PyC界面层易发生氧化分解，从而导致环境中的氧扩散至纤维表面，而导致纤维氧化损伤，使得复合材料的力学性能下降。BN界面层中由于两个原子面间是弱结合的范德华力，因此，当基体裂纹扩展至BN界面层时，会在BN弱结合面间发生偏转，可提高复合材料的韧性。但温度升至850℃后BN界面层也会开始氧化，难以在1000℃以上的高温下工作。SiC涂层抗氧化性能优于PyC和BN，能有效阻止纤维的氧化损伤。但由于SiC涂层界面结合较强，不利于复合材料的增韧。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种纤维增韧陶瓷基复合材料及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种纤维增韧陶瓷基复合材料，其包括：陶瓷材料基体、界面层以及纤维；所述界面层包括RE_xB_yC_z材料层，其中RE为Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的任意一种或两种以上的组合，x＝1～10，y＝1～20，z＝1～20。

在一些较为具体的实施方案中，所述陶瓷材料基体与纤维之间设置有一个以上的掺杂相层与RE_xB_yC_z材料层。

本发明实施例还提供了前述纤维增韧陶瓷基复合材料的制备方法，其包括：