[发明专利]一种碳化硅陶瓷基复合材料的双重自愈合改性方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳化硅陶瓷基复合材料的双重自愈合改性方法，特别是涉及一种碳化硅陶瓷基复合材料的多层非晶碳化硼基体(α-B₄C)结合硼硅酸盐玻璃封填的双重自愈合改性方法。

背景技术

纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)是新型耐高温、低密度、高性能的热结构材料，可以有效提高发动机工作温度，减少冷却气用量，降低构件结构重量，减少NO_x和CO₂的排放量，在高推重比航空发动机、工业燃气轮机以及核能等领域均具有巨大的应用潜力。CMC-SiC的密度为2～2.5g/cm³，是高温金属结构材料的1/4～1/6，潜在的最高长期使用温度为1650℃，比高温金属结构材料高150～350℃。此外，CMC-SiC还克服了结构陶瓷脆性大和可靠性差，碳/碳复合材料抗氧化差和强度低，以及氧化物陶瓷基复合材料抗蠕变性差等缺点，使其成为推重比10以上航空发动机以及新型燃气轮机等动力系统不可缺少的热结构材料，具有大幅减重、提高使用温度和综合性能的潜力。

如中国专利(公开号CN101503305)所述，碳化硅陶瓷基复合材料存在的孔隙和裂纹限制了其使用寿命，必须对其进行自愈合改性，提高使用寿命。美国专利(US5246736)和加拿大专利(CA2214465)已经发明了多层Si-B-C基体的制造方法，该方法采用B₄C和Si-B-C对碳化硅陶瓷基复合材料的SiC基体进行改性，制造的材料能够实现较高温度的自愈合，但工艺复杂、时间长、成本高。前期，西北工业大学(中国发明专利，公开号CN101503305)已经采用非晶碳化硼(α-B₄C)对纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料进行基体改性，提高了复合材料抗氧化性能，但一方面，受到自愈合相(氧化硼玻璃)生成量的影响，复合材料纤维束间的大孔不能充分封填愈合，另一方面受到自愈合相的生成速度影响，导致材料在高温下的自愈合效果滞后，即材料在高温下不能立即自愈合，影响了材料的使用寿命。为了解决上述材料束间大孔自愈合以及自愈合效果滞后问题，本发明在多层非晶碳化硼基体改性基础上，引入硼硅酸盐玻璃对复合材料束间大孔进行封填，实现复合材料双重自愈合改性。目前，还没有发现这方面的公开报道。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种碳化硅陶瓷基复合材料的双重自愈合改性方法，是一种CMC-SiC的多层非晶碳化硼基体结合硼硅酸盐玻璃封填的双重自愈合改性方法，该改性方法可显著提高CMC-SiC的抗氧化性能，满足高推重比航空发动机尾喷管和燃烧室部位构件对长寿命CMC-SiC材料的需求。

技术方案

一种碳化硅陶瓷基复合材料的双重自愈合改性方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将纤维预制体放入化学气相渗透炉内渗透热解炭界面层，渗透温度：750～1100℃，保温时间：50～500h，炉内压力：0.5～500Pa，先驱体为C₃H₆或CH₄；界面层厚度为80～500nm；

步骤2：将上述渗透界面层后的预制体在氩气气氛中进行高温处理，处理温度：1300～2100℃，处理时间0.5～10h；

步骤3：将高温热处理后的预制体放入化学气相碳化硅渗透炉中渗透碳化硅基体，渗透温度：800～1200℃，保温时间：50～500h，炉内压力：2～50kPa，先驱体为CH₃SiCl₃；

步骤4：将上述渗透碳化硅基体后的预制体放入化学气相碳化硼渗透炉中渗透非晶碳化硼基体，渗透温度：850～1100℃，保温时间：10～200h，炉内压力：2～50kPa，先驱体为BCl₃-CH₄；

步骤5：将上述渗透后的预制体放入化学气相碳化硅渗透炉中渗透碳化硅基体，渗透温度：850～1100℃，保温时间：20～100h，炉内压力：2～50kPa，先驱体为CH₃SiCl₃；

步骤6：重复步骤4～步骤5至预制体复合材料密度＞2.0g.cm^-3；

步骤7：采用硼硅酸盐玻璃溶胶刷涂复合材料，使得停留在复合材料表面的涂层总厚度为5～50μm；所述溶胶中B₂O₃含量为15～35wt％；