[发明专利]碳化硅增强的碳化硅复合物

说明书

本发明的部分主题是NASA通过NAS3-26385号合同资助的以High SpeedCivil Transport/Enabling Propulsion Materials Program的名义开发的。

发明的背景

由于增强的陶瓷基质复合物(“CMC”)的韧性、耐热性、高温强度和化学稳定性，使之很适合于结构用途。可将纤维须(whiskers)、纤维或薄片加入陶瓷基质中制得这些复合物。在制造连续纤维增强的陶瓷基质复合物(“CFCC”)时，该制造方法通常先将连续的纤维束(例如烧结的SiC纤维(如Hi-Nicalon^TM或Dow Corning Sylramic^TM))编织成织物(如二维的5HS或8HS，或者三维的织物)。随后将该编织的纤维织物制成平板或构形物(称之为纤维预制件)。接着填充该纤维预制件中的空隙以制得密实的CFCC。该CFCC的非脆性性能提供了单块陶瓷缺乏的非常需要的可靠性。

陶瓷基质复合物增强的抗破裂性是通过裂缝偏斜、负荷转移和纤维脱落而得到的。通过使纤维和基质之间很少或无化学键合来实现纤维脱落，使得所述纤维能沿基质滑动。但是，还了解到许多纤维-基质混合物在密实过程中在纤维和基质材料之间发生大范围的化学反应或相互扩散。这种反应或相互扩散会使强度、韧性、温度稳定性和抗氧化性严重下降。因此，必须选择适当的纤维-基质界面以防止或将化学反应和相互扩散减至最小。

纤维的表面改性是一种控制纤维-基质在界面上反应的有效方法。这可通过用合适的陶瓷涂覆纤维来实现。同样重要的是合适的陶瓷涂层还能使纤维-基质界面不发生键合，使纤维从基质上脱落，使之沿基质滑动，从而增加复合物的破裂韧性。

在复合材料领域中涂覆的碳化硅纤维和纤维须是已知的。Sugihara的美国专利4,929,472公开了SiC纤维须，它的表面涂覆有含碳层或氮化硅层。这些表面涂覆的纤维须被用作陶瓷(如SiC、TiC、Si₃N₄或Al₂O₃)的增强材料。Bhatt的美国专利4,781,993公开了一种SiC纤维增强的反应连接的Si₃N₄基质，其中所述SiC纤维涂覆有一层无定形碳层，并且该无定形层上覆盖有一层高比例硅/碳的覆盖层。Rice的美国专利4,642,271公开了嵌入于陶瓷基质中的涂覆BN的陶瓷纤维。尽管所述基质可以是SiO₂、SiC、ZrO₂、ZrO₂-TiO₂、堇青石、富铝红柱石或涂覆的碳基质，但是所述纤维可以是SiC、Al₂O₃或者石墨。Singh等的美国专利4,944,904公开了一种含涂覆氮化硼的纤维材料的复合物。用BN和可被硅湿润的材料涂覆碳纤维或SiC纤维，随后将其与一种促进浸渗的材料相混合。将这种混合物制成预制件，随后用硼和硅的熔融液浸渗制得复合物。

CFCC半成品的密实远比单块陶瓷半成品的密实来得困难。常规的用烧结纤维增强的陶瓷基质半成品的烧结是不可能的，因为该陶瓷基质半成品具有刚性的内含物。但是，CFCC’s半成品的密实可通过化学气相浸渗(“CVI”)或熔融硅浸渗来实现。熔融硅浸渗是较好的方法，因为它占用时间少，并且与CVI法相比常制得一种完全密实体。对于高温用途，为获得良好的耐热性和机械性能并且为防止增强物或增强涂层快速氧化/降解，完全密实是必需的。例如，用于空中运输用途的CFCC的所需特性包括高导热率、高拉伸强度、高拉伸应变和高的循环疲劳峰应力(cyclic fatigue peak stress)。业已发现一种用本领域所述的化学气相浸渗法制得的一种常规CFCC在2200°F的导热率仅约为4.7BTU/hr.ft.°F，使用Hi-Nicalon^TM纤维的循环疲劳峰应力仅约为15ksi(约105MPa)。认为这种CVI材料的低的导热率和循环疲劳峰应力归因于CVI法常见的材料相对高的空隙度(通常10-20％)。因此，本领域主要通过硅浸渗进行密实。