[发明专利]一种稀土硅酸盐层状分布的碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种稀土硅酸盐层状分布的碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法，所述稀土硅酸盐层状分布的碳化硅陶瓷基复合材料包括纤维预制体、用于填充纤维预制体的SiC基体、环状分布在纤维预制体中纤维表面和SiC基体之间的至少2层稀土硅酸盐层、以及位于相邻稀土硅酸盐层之间的SiC层；优选地，所述稀土硅酸盐层的层数为2～3层。

技术领域

本发明涉及一种稀土硅酸盐层状分布的碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法，具体涉及一种稀土硅酸盐在陶瓷基体内多层分布的碳化硅陶瓷基复合材料及利用稀土盐溶液表面涂覆浸渍热解结合化学气相渗透法合成稀土硅酸盐层状分布的碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法，属于复合材料制备领域。

背景技术

随着发动机单位推力的提高，发动机燃烧室出口温度有较大幅度的提升，这对燃烧室、涡轮等热端部件的材料提出了更高的要求。未来先进高推重比航空发动机涡轮前温度将达到1800℃以上，远远超过了高温合金及金属间化合物的使用温度。因此，迫切需要一种能耐受极端高温氧化环境，且能长时间可靠服役的新型热结构材料。连续纤维增强SiC陶瓷基复合材料具有耐高温、抗氧化、高比强度、应力作用下非脆性断裂失效等优点，可替代部分高温金属，成为新一代高性能航空发动机热端部件的重要候选材料。

在航空发动机燃气环境中，由于水蒸气的分压较大，SiC陶瓷基复合材料的基体易被氧化生成挥发性物质，在高温燃气的快速冲刷下，基体退化问题较干氧环境下更为严重。为解决该问题，目前普遍采用在复合材料表面施加高温水氧环境下稳定性较强的环境障碍涂层(EBC)的办法，将基体与水氧环境隔绝开来，从而避免基体的退化。现阶段性能最好的EBC材料为稀土元素硅酸盐，文献“Al Nasiri,N.；Patra,N.；Jayaseelan,D.D.；Lee,W.E.,Water vapour corrosion of rare earth monosilicates for environmental barriercoating application.Ceramics International 2017,43(10),7393-7400.”综述了该类EBC材料的制备工艺及性能特点。但是EBC裂纹等缺陷的产生以及自身与基体之间热膨胀系数的不匹配，导致在长时间的服役过程中EBC存在开裂甚至剥落的风险。专利“AndrewJ.Lazur,Kang N.Lee.Silicon Carbide Ceramic Matrix Composites Containing ARare Earth Compound[P].WO 2014/149757A1.25September 2014.”采用浆料浸渍法将铝、钇等元素的化合物引入基体中，对基体进行改性。水氧环境下基体可生成类EBC化合物，从而提高基体自身的抗水氧性能，减少纤维增强陶瓷基复合材料对环境障碍涂层的依赖性。然而浆料浸渍法引入的化合物颗粒较大，难以进入纤维束内部，并且引入的物质在基体内分布情况难以控制。

发明内容

针对碳化硅陶瓷基复合材料抗水氧性能差的问题，本发明的目的在于提供一种稀土硅酸盐层状分布的碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法。

一方面，本发明提供了一种稀土硅酸盐层状分布的碳化硅陶瓷基复合材料，包括纤维预制体、用于填充纤维预制体的SiC基体、环状分布在纤维预制体中纤维表面和SiC基体之间的至少2层稀土硅酸盐层、以及位于相邻稀土硅酸盐层之间的SiC层；优选地，所述稀土硅酸盐层的层数为2～3层。

本发明中，在碳化硅陶瓷基复合材料内制备至少两层的稀土硅酸盐层包裹在纤维预制体中纤维(或纤维束)的周围，在水氧环境中，多层稀土硅酸盐层能够有效地阻碍氧气和水蒸气对基体内部和纤维束内部的侵蚀，从而提升材料的本征抗水氧性能。

较佳地，所述稀土硅酸盐层的成分为硅酸钇、硅酸镱、硅酸钪、硅酸镥、硅酸铒中的至少一种，优选为硅酸钇。