[发明专利]通过磷化处理陶瓷纤维的方法

说明书

技术领域

本发明涉及在复合材料的制造中用作增强件的碳化硅(SiC)纤维，并且更特别地涉及由基质使其致密的纤维增强件构成的热结构复合材料。

背景技术

热结构复合材料的特征在于使其适合于构建结构件的机械性质和其能够在高温下保持这些机械性质的能力。然而，陶瓷纤维，例如碳化硅(SiC)纤维，当其在高温下(例如，300℃至1500℃的范围内)暴露于氧化性介质，特别是空气或水蒸气，更普遍地是在任何含有氧气或氧化合物的气相或液相的存在下，对于氧化敏感。

SiC纤维的氧化直接影响到其寿命，并且因此影响到用其构建增强件的复合材料的寿命

文献WO2010/076475描述了一种处理陶瓷纤维的方法，该方法包含使用至少一种卤素类型的第一活性气体进行的活性气体中的第一热处理，和使用至少一种第二活性气体进行的活性气体中的第二热处理；所述第一活性气体通过化学转化纤维表面起作用以形成绝大部分由碳构成的表面层，所述第二活性气体在化学转化过程中消除在表面形成的表面层。使用不同的和适当的活性气体的该两个热处理使得能够完全消除纤维材料的表面层，所述表面层具有对限制纤维的机械性能和寿命最具影响的缺陷。然而，该处理方法没有改善纤维抵抗氧化的能力。

在文献WO2005/092610中也使用了具有卤素气体的陶瓷纤维的热处理作为制备陶瓷纤维上的硼铝氮(BAN)型涂层的方法中的中间步骤，所述涂层由例如BN和Al(O)N混合物构成，其目的是改善陶瓷复合物抵抗氧化的能力。

尽管通过这种涂层提供的陶瓷纤维在抵抗氧化能力上有所改善，但是这种能力仍然是不足的，特别是在增加纤维寿命方面。

因此，仍然存在单独防止SiC纤维氧化的需求。

发明内容

本发明的目的是通过提供碳化硅纤维的表面处理弥补这些缺点，所述表面处理能够增加每个纤维单独在高温下，特别是300℃至1500℃范围内的温度下，抵抗氧化性气氛的能力。

根据本发明，通过以下事实达到此目的，使碳化硅纤维经受活性气体中的磷化热处理以在每个纤维周围形成涂层来防止氧化，所述涂层包含焦磷酸硅晶体表面层和至少一个包含磷硅酸盐玻璃层和微孔碳层的底层双层系统。

本发明的处理使得能够在每个被处理的纤维表面上形成单一层或多层系统，其有助于防止纤维的底层陶瓷氧化。所得到的纤维具有与初始纤维相同的化学性质，但是其具有增加的抵抗氧化的能力，由此显著地增加其在高温下在氧化性气氛中的寿命，并且因此增加由其形成一部分的复合材料的寿命。

根据本发明的一个特别的特征，在活性气体中磷化热处理之前，在每个纤维表面上形成微介孔或微孔碳的层。

微介孔或微孔碳的表面层的预先形成有助于均质化磷化处理并获得更均匀的保护涂层。

可以通过在气体中用含磷试剂蚀刻每个纤维的表面和然后消除在用磷酸蒸汽蚀刻期间形成的磷硅酸盐玻璃和焦磷酸硅的处理形成微介孔碳层。可以通过用碱性化合物蚀刻纤维表面进行处理以消除磷硅酸盐玻璃和焦磷酸硅。所述微介孔或微孔碳的层被间置在焦磷酸硅晶体表面层和磷硅酸盐玻璃与微孔碳的双层系统之间。

作为变体，通过用至少一种卤素类型的活性气体进行的活性气体中的热处理形成微孔碳层，所述卤素类型的活性气体选自至少氯气、氟气、和氯化氢。

在本发明的一个特别的方面，抗氧化保护性涂层以50纳米(nm)至1微米(μm)范围内的厚度，更优选100nm至500nm范围的厚度呈现。

在活性气体中的磷化热处理以及如果需要的话，其它处理优选在低于碳化硅纤维的热稳定温度的温度下进行。

本发明还提供一种制造纤维预成品的方法，该方法包含从碳化硅纤维形成纤维结构，并且所述方法的特征在于根据本发明的处理方法处理纤维。可以在形成纤维结构之前或之后处理纤维。

本发明还提供一种制造复合材料部件的方法，该方法包含根据本发明的方法制造纤维预成品以制造纤维预成品，并且致密化该预成品。

此外，本发明还提供一种纤维结构，其包含碳化硅纤维，并且其特征在于每个纤维在其表面的至少一部分上包括抗氧化保护性涂层，所述保护性涂层包含焦磷酸硅结晶表面层和至少一个含有硅磷酸盐玻璃层和微孔碳层的底层双层系统。

根据本发明的一个特别的特征，每个碳化硅纤维在其表面的至少一部分上还包括微介孔或微孔碳的层，所述微介孔或微孔碳的层被间置在焦磷酸盐结晶表面层和所述至少一个含有磷硅酸盐玻璃层和微孔碳层的双层系统之间。

最后，本发明提供一种复合材料部件，其包含由本发明的纤维结构构成的纤维增强件。