[发明专利]一种耐高温陶瓷基复合材料界面复合涂层及制备方法

说明书

本发明公开了一种耐高温陶瓷基复合材料界面复合涂层及制备方法，所述界面复合涂层包括碳纤维、热解碳层和SiC层，所述热解碳层包覆于碳纤维上，所述SiC层包覆于热解碳层上。本申请所述的热解碳/碳化硅复合界面涂层，一方面可以缓解碳纤维与陶瓷基体的热膨胀系数不匹配，另一方面复合界面层能够在氧化或高温烧蚀环境中生成SiO2玻璃相保护层，保护碳纤维不受氧化侵蚀，从而提高复合材料的耐高温抗氧化性能。

技术领域

本发明涉及碳纤维增强陶瓷基复合材料界面改性技术领域，具体提供一种耐高温陶瓷基复合材料界面复合涂层及制备方法。

背景技术

新一代武器装备用超高声速飞行器迎风面端头、翼前缘等部位，需要承载高马赫飞行速度、超高温热流、超高温氧化环境的苛刻条件，对耐高温部位热防护材料提出了严苛的要求。相比于其他耐超高温材料，碳纤维增强陶瓷基复合材料具有比重轻、热导率低、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、强度高、硬度大等特点，已经成为一种理想的高温结构材料。

陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料。陶瓷基体可为氮化硅、碳化硅等高温结构陶瓷。这些先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有脆性，处于应力状态时，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而采用高强度、高弹性的纤维与基体复合，则是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效的方法。纤维能阻止裂纹的扩展，从而得到有优良韧性的纤维增强陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料已用作液体火箭发动机喷管、导弹天线罩、航天飞机鼻锥、飞机刹车盘和高档汽车刹车盘等，成为高技术新材料的一个重要分支。

然而陶瓷基复合材料的增强体碳纤维与陶瓷基体之间性质的差异，造成两者存在热膨胀系数不匹配以及微观晶格不匹配的缺陷。两者结合的界面在施加应力时，容易发生脆性断裂，导致材料强度和韧性的降低。此外，陶瓷基复合材料的增强体碳纤维不具有抗氧化性，在高于400℃的环境中，极易被氧化烧蚀。

发明内容

本发明的技术任务是针对上述存在的问题，提供一种碳纤维增强耐高温陶瓷基复合材料界面复合涂层及制备方法，提高陶瓷基复合材料的力学性能和抗氧化性能。

界面在复合材料中起到了传递载荷、热量等作用，同时也是材料断裂过程中裂纹、缺陷等集中的区域，界面性能对复合材料的力学性能和热物理性能有显著的影响，因此，界面改性是提高复合材料力学性能和抗氧化烧蚀性能的重要途径。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种耐高温陶瓷基复合材料界面复合涂层，所述界面复合涂层包括碳纤维、热解碳层和SiC层，所述热解碳层包覆于碳纤维上，所述SiC层包覆于热解碳层上，应用时，将所述界面复合涂层设置于碳纤维与陶瓷基体之间，SiC层与陶瓷基体贴合。

所述热解碳层厚度为100nm-1μm；所述SiC层厚度为1μm-10μm。

一种耐高温陶瓷基复合材料界面复合涂层制备方法，所述方法包括步骤如下：

步骤一：将碳纤维以预制体形式放入真空炉中在真空状态下进行脱脂处理；

步骤二：将步骤一所得碳纤维预制体放入化学气相沉积炉内，进行热解碳层沉积；

步骤三：将步骤二所得碳纤维预制体，置于聚碳硅烷溶液中进行浸渍；

步骤四：将步骤三浸渍完成的碳纤维预制体，置于烘箱中干燥固化；

步骤五：将步骤四干燥固化后的碳纤维预制体置于真空炉中高温裂解。

所述步骤一中的碳纤维预制体为针刺结构、三维编织或2.5D编织结构。

所述步骤三中聚碳硅烷溶液溶剂为有机溶剂，所述有机溶剂为甲苯、二甲苯、正己烷、氯仿中的一种或多种，聚碳硅烷溶液的浓度为质量分数40％-60％。