[发明专利]一种无裂纹涂层纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无裂纹涂层纤维的制备方法；属于复合材料制备技术领域。

背景技术

C纤维增强SiC基陶瓷复合材料（CMC—SiC），各项性能是有目共睹的，但是由于C纤维与SiC基体的热膨胀不匹配导致SiC基体开裂，在高温下本来具有非常好的抗氧性能和保护功能的SiC基体，然而由于基体裂纹，使得氧化介质有机可乘。由于裂纹提供的氧化通道，严重影响CMC-SiC的性能。为了防止C纤维被氧化，研究者想了各种办法，目前比较有效的方法有：①裂纹闭合法，就是利用纤维与基体热膨胀系数的差别来愈合裂纹，让氧化介质无法进入。如，NASA用SiC_f增强C基体的复合材料^【1】，在低于制备温度下，由于α_SiCf>α_m（α表示线膨胀系数，f表示纤维，m表示基体），SiC_f给C基体施加压应力，使C基体无裂纹出现或者裂纹处于闭合状态，再加上材料表面的SiC涂层保护，经试验证明，其抗氧化性能很好。上述方法固然好，但是西北工业大学的张立同院士指出^【2】，由于可提供选择的增强纤维较少，况且C基不耐氧化，还待更好的方法。②CMC-MS法即多元多层自愈合法，其效果也很好；但缺点是：1）由于B₂O₃的变成粘流态的温度在650℃以上，而C纤维在370℃已经开始氧化，也即是370℃～650℃温度段基体裂纹无法由液态的B₂O₃来封填，并且CMC-SiC在这个温度段的裂纹相对较多，使得其抗氧化性很差。2)B₂O₃对水蒸气很敏感，易使B₂O₃层剥落，另外，当温度达到815℃时，B₂O₃的氧的扩散率很高，当1000℃以上时，B₂O₃的蒸汽压过大，氧的扩散率过大，而不再具保护功能^【3】，而且温度越高挥发越严重。3）SiO₂的高温蒸汽压较小，氧的扩散率很小，但SiO₂在1000℃以上温度才能有液封功能，所以单纯的用SiO₂液封，370℃～1000℃温度段时，没能起到保护作用。所以此法效果虽然较好，但是高温性能还有待提高^【4】。

在C_f/SiC复合材料的研究中，材料在制备温度以下的抗氧化性能远低于在制备温度以上的抗氧化性。其主要原因在于，由于C纤维的轴向热膨胀系数为-0.1～-0.26×10^-6K^-1，SiC基体的热膨胀系数为4.8×10^-6K^-1，纤维与基体在轴向都存在热膨胀系数不匹配，从而产生内应力^【5】。高于制备温度情况，基体在纤维的轴向处于压应力状态，其裂纹被愈合，使得氧化介质无法进入内部。然而，当温度低于制备温度时，由于SiC基体和低膨胀系数的碳纤维的热膨胀失配，必然导致基体中产生热应力裂纹，即使基体与纤维热膨胀匹配(如SiC_f/SiC复合材料)，高模量低应变的基体也容易在较低应力下开裂^【6】。当SiC基体低于制备温度(一般1000℃)时，其中裂纹和孔隙很容易被氧化介质(H₂O和O₂)通过并扩散到CMC-SiC的纤维和界面处，加速PyC(热解碳层)界面和C纤维的氧化^【7】。而纤维和界面是传载与承载单元，两者的损伤非常可能导致复合材料失效，严重影响CMC-SiC的使用寿命^【8】。

目前，C纤维制备抗氧化涂层工艺主要采用CVD法制备，其中值得关注的是，CVD法制备的SiC纤维（C纤维芯），由于C芯与外层的SiC两者的热应力，降温后沿轴线方向，SiC层处于拉应力状态，SiC层越薄，其表面拉应力就越大，容易断裂。因此只有在C芯上沉积较厚的SiC层后，才能缓解和降低SiC层的拉应力，才能增加SiC纤维的抗拉强度，这样势必导致该纤维的直径变得很粗，可编织性能很差^{【9】【10】}，SiC的高温抗蠕变性较碳纤维差。