[发明专利]三维碳化硅纤维预制件增强氧化钇-氧化锆复相陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种三维碳化硅纤维预制件增强氧化钇‑氧化锆复相陶瓷复合材料及其制备方法，该复合材料包括三维碳化硅纤维预制件和Y₂O₃‑ZrO₂复相陶瓷，Y₂O₃‑ZrO₂复相陶瓷中，ZrO₂的摩尔含量为5%～95%，Y₂O₃‑ZrO₂复相陶瓷均匀填充于所述三维碳化硅纤维预制件的孔隙中，该复合材料的孔隙率为9%～16%。制备方法包括：（1）制备Y₂O₃‑ZrO₂复合溶胶；（2）浸渍；（3）干燥；（4）热处理；（5）重复步骤（2）～（4）的浸渍‑干燥‑热处理过程。该复合材料具有低孔隙率、高致密度、耐高温、抗氧化和力学性能优良等优点，该制备方法制备效率高，且显著提高了复合材料的致密度和力学性能。

技术领域

本发明属于耐高温的纤维增强陶瓷基复合材料技术领域，尤其涉及一种三维碳化硅纤维预制件增强氧化钇–氧化锆（Y₂O₃-ZrO₂）复相陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

Y₂O₃-ZrO₂复相陶瓷兼具Y₂O₃和ZrO₂的耐高温、抗氧化、耐蠕变、耐腐蚀等优点，同时，Y₂O₃的引入能够抑制ZrO₂的相变，因而是一种优良的耐高温陶瓷材料，作为热障涂层材料得到较多研究。作为单体陶瓷，Y₂O₃-ZrO₂复相陶瓷的断裂韧性较低，大多数情况下为2~4MPa·m^1/2。如此低的断裂韧性导致单体Y₂O₃-ZrO₂复相陶瓷很难作为结构材料获得实际应用，特别是在具有较大机械载荷冲击、热冲击的场合，必须要进行增韧处理。

在陶瓷基体中引入纤维，已经被证明是能够显著提高断裂韧性的最为有效的增韧方法。碳化硅纤维耐高温，抗氧化，拉伸强度和模量高，作为高性能陶瓷基复合材料的增强相越来越受到重视，特别是应用于长寿命抗氧化的场合。因此，若能将碳化硅纤维与Y₂O₃-ZrO₂复相陶瓷复合在一起，结合两者的优势，理论上有望获得兼具耐高温、抗氧化、高强度、高韧性的纤维增强Y₂O₃-ZrO₂复相陶瓷复合材料。

按照纤维在复合材料中的排布方式，即纤维预制件的结构形式，可以分为一维、二维、三维预制件增强复合材料。一维复合材料是指将纤维束通过陶瓷基体粉末配制成的泥浆（浆料中有粘接剂将陶瓷粉末粘附在纤维上）缠绕成无纬布，再将无纬布按不同方向、不同角度铺层，或者直接按不同方向、不同角度缠绕成所需形状，然后经高温无压或者热压烧结得到的复合材料。二维复合材料是指通过涂刷、浸涂陶瓷基体粉末配制成的泥浆等方式在纤维布表面粘附上陶瓷基体，将纤维布叠层后，经高温无压或者热压烧结得到的复合材料。三维复合材料是指先将纤维制作成三维立体的预制件，然后通过气相法、液相法等手段将陶瓷基体引入预制件中所得到的复合材料。相比较而言，三维复合材料的整体性较优（一维和二维复合材料的面内、层间性能较弱），纤维含量与排布方向性的可设计性强，更加适用于复杂形状构件的制备。