一種在2000℃以下長期使用的金屬陶瓷基複合材料的製作方法

2023-07-25 16:13:21 4

一種在2000℃以下長期使用的金屬陶瓷基複合材料的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種在2000℃以下長期使用的金屬陶瓷基複合材料，其特徵在於由無機纖維、合金絲和陶瓷基體組成。所述的無機纖維為碳纖維、硼纖維、碳化矽纖維或它們的混合纖維，直徑為4～8μm。合金絲為鈮鎢、鎢鉬或鎢錸等高溫合金絲，主要含有Nb、W、Mo、Re、Ni等元素，直徑為0.01～0.5mm。陶瓷基體為碳化矽、碳化矽與碳的混合基體或碳化鋯與碳的混合基體。其中，預成型體是以連續碳纖維與短切鈮鋯、鈮鎢、鎢鉬或鎢錸等高溫合金絲或多者一起以錯開搭接的形式編織而成。該金屬陶瓷基複合材料以改性高溫合金絲混編碳纖維作為增強補韌相，提高了纖維材料的高溫氧化性能和複合材料的整體韌性。
【專利說明】—種在2000°C以下長期使用的金屬陶瓷基複合材料
【技術領域】
[0001]本發明涉及複合材料領域，特別是涉及一種在2000C以下長期使用的金屬陶瓷基複合材料。
【背景技術】
[0002]陶瓷材料的耐高溫、低密度、高比強、高比模、抗氧化和抗燒蝕等優異性能，使其具有接替金屬作為新一代高溫結構材料的潛力。但是，陶瓷材料的脆性大和可靠性差等致命弱點又阻礙其實用化。陶瓷材料這種固有的脆性本質除可以通過控制晶粒、相變韌化方法加以改善外，纖維補強一直是受到廣泛重視的手段之一。
[0003]纖維增強陶瓷的原理是在陶瓷基體中加人高強度、高模量的纖維後，使纖維分擔大部分的外加應力，阻礙裂紋的擴展，並能在局部纖維斷裂時，以「拔出功」的形式消耗部分能量，起到提高斷裂能並克服脆性的作用。可是，常用的陶瓷纖維沒有一種能在高溫(>12000C )下長期使用，其絕大多數在1000°c時性能就開始發生變化，如NICAL0N纖維在高溫時纖維發生蠕變，纖維中的氧和游離碳發生化學反應，使其性能降低。為了滿足對防熱材料的要求，國內外對新型纖維和纖維改性進行了廣泛研究。
[0004]在文獻「耐高溫纖維增強陶瓷基複合材料」中，王曉君等綜述了國外陶瓷纖維和基體的發展狀況，對纖維增強 的陶瓷基複合材料的力學性能進行了介紹，描述了陶瓷基複合材料在航空、航天工業方面的應用前景，並針對我國的研究現狀，提出了加強纖維增強陶瓷基複合材料研究工作的幾點建議。
[0005]公開(公告)號為101693628A的中國發明專利公開了一種纖維增強ZrC陶瓷基複合材料的製備方法，用於改善C/C複合材料的抗高溫氧化性能。該專利採用熔體浸滲法，將高純度的Zr粉與蒸餾水和聚乙烯醇按比例混合均勻後，塗覆在C/C複合材料的表明，在高溫下於保護氣氛中進行熔體浸滲，得到改性纖維增強ZrC陶瓷基複合材料。

【發明內容】

[0006]本發明提供一種在2000°C以下長期使用的金屬陶瓷基複合材料，其特徵在於由無機纖維、合金絲和陶瓷基體組成。以無機纖維與合金絲混合編織預成型體作為增強補韌相，通過在合金絲中添加元素或在預成型體上沉積抗氧化塗層來提高高溫氧化性能，最後利用CVI技術進行界面層和陶瓷基體的製備，最終形成金屬陶瓷基複合材料。
[0007]本發明所述的無機纖維為碳纖維、硼纖維、碳化矽纖維或它們的混合纖維，直徑為4~8 μ m。合金絲為鈮鎢、鎢鑰或鎢錸等高溫合金絲，主要含有Nb、W、Mo、Re、Ni等元素，直徑為0.01~0.5_。陶瓷基體為碳化娃、碳化娃與碳的混合基體或者碳化錯與碳的混合基體。
[0008]預成型體是以無機纖維與合金絲混合編織而成，它們可以通過三維技術編織成立體織物，或者先編織成二維布，布再纏繞成筒或其它三維形狀。碳纖維與合金絲可以單獨編織，也可以合股混捻或並絲成束後再編織。預成型體中無機纖維含量佔10~50%，編織體總體積佔複合材料總體積的50~70%。
[0009]混合編織的無機纖維採用的是連續纖維的形式，合金絲則採用短切絲的形式。為了避免金屬絲熱膨脹係數大，在高溫時發生較大的變形，同時也避免長根金屬絲帶來的編織困難，與無機纖維混合編織預成型體時，採用長度為Icm~IOcm的短切鈮鎢、鎢鑰或鎢錸合金絲，並且編織時前後兩根合金絲以圍繞連續纖維錯開搭接的形式連接，搭接接頭控制在 0.1 ~0.3cm。
[0010]抗氧化塗層和合 金絲添加元素是根據具體的合金絲而選擇，塗層厚度控制在
0.1~ΙμL?，元素含量控制在1%~10%。界面層由層狀結構的碳或BN組成，其特徵在於，碳作為界面層，厚度為0.1~0.3 μ m，而BN界面層的厚度則為0.3~0.5 μ m。
[0011]由於鈮鋯、鈮鎢、鎢鑰和鎢錸合金絲極高的熔點和使用溫度，良好的強度和韌性，適當添加元素或改性塗層後較好的高溫抗氧化性能，與碳纖維混合編織後可通過界面層與陶瓷基體緊密相連，使所得的金屬陶瓷複合材料性能優異，可以在2000°c以下長期使用。其中，界面層不僅可以作為阻擋層，還能起到傳遞載荷、偏轉裂紋和緩解熱失配的作用。
[0012]本發明的主要優點是:①該金屬陶瓷基複合材料以改性高溫合金絲混編碳纖維作為增強補韌相，提高了纖維材料的高溫氧化性能和複合材料的整體韌性，提供了一種可以在2000°C下長期使用的高性能複合材料；②利用CVI技術，能在低壓、低溫下進行界面層和基體的製備，材料內部殘餘應力小，纖維受損傷小，最大程度上保持了各基體材料的優異性能；③混合纖維先編織成預成型體然後再進行塗層，可以避免編織工序對塗層造成的損害，並且簡化了塗層設備界面層將混合纖維預成型體與陶瓷基體緊密結合，其層狀結構可以有效地緩衝載荷和偏轉裂紋等；⑤採用搭接結構進行短切金屬絲與連續碳纖維的混合編織，可以實現微觀尺度上的成分設計，能製備出形狀複雜和纖維體積分數高的近尺寸部件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發明所述金屬陶瓷複合材料的結構示意圖。
[0014]圖示10為混合纖維預成型體；20為界面層；30為陶瓷基體。
[0015]圖2為本發明所述金屬陶瓷複合材料的截面示意圖。
[0016]圖示11為混合纖維預成型體；12為界面層；13為陶瓷基體。
[0017]圖3為編織時前後兩根合金絲圍繞連續碳纖維錯開搭接的示意圖。
[0018]圖示21為短切合金絲；22為連續纖維。
【具體實施方式】
[0019]下面結合具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定。
[0020]實施例1
[0021]將30 %的直徑為5 μ m碳纖維、70%的長度為IOcm的短切鈮鎢合金絲以錯開搭接的形式合股混搶，其中合金絲直徑在IOym~100 μ m範圍內分布,通過三維編織技術將混捻纖維編織成立體形狀的預成型體，控制總纖維含量為50% ;通過CVI法先後製備矽化鑰抗氧化塗層和碳界面層，控制相關工藝參數使矽化鑰抗氧化塗層厚度為0.5 μ m、界面層厚度為0.3μ m ;再在相同的CVI設備中，以三氯甲基矽烷為前驅體，在適當的條件下分解出SiC將預成型體縫隙密實填充，形成金屬陶瓷複合材料。
[0022]實施例2
[0023]將40%的直徑為7 μ m硼纖維、60%的長度為6cm的短切鈮鎢合金絲以錯開搭接的形式合股混搶，其中合金絲直徑在I μ m~50 μ m範圍內分布,通過三維編織技術將混搶纖維編織成立體形狀的預成型體，控制總纖維含量為70% ;先通過雙輝等離子技術向預製體合金絲中滲鈀，滲入元素含量控制在I %左右，然後通過CVI法製備BN界面層，控制厚度為0.5 μ m ;再通過CVI法進行碳化矽與碳混合陶瓷基體的製備，最終形成金屬陶瓷基複合材料。[0024]上述僅為本發明的兩個【具體實施方式】，但本發明的設計構思並不局限於此，凡利用此構思對本發明進行非實質性的改動，均應屬於侵犯本發明保護的範圍的行為。但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何形式的簡單修改、等同變化與改型，仍屬於本發明技術方案的保護範圍。
【權利要求】
1.一種在2000°C以下長期使用的金屬陶瓷基複合材料，其特徵在於由無機纖維、合金絲和陶瓷基體組成。
2.根據權利要求1所述的陶瓷基複合材料，其特徵在於所述的無機纖維為碳纖維、硼纖維、碳化矽纖維或它們的混合纖維，直徑為4~8μπι。
3.根據權利要求1所述的陶瓷基複合材料，其特徵在於所述的合金絲為鈮鎢、鎢鑰或鎢錸等高溫合金絲，主要含有Nb、W、Mo、Re、Ni等元素，直徑為0.01~0.5mm。
4.根據權利要求1所述的陶瓷基複合材料，其特徵在於所述的陶瓷基體為碳化矽、碳化娃與碳的混合基體或碳化錯與碳的混合基體。
5.根據權利要求1所述的陶瓷基複合材料，其特徵在於以無機纖維與合金絲混合編織預成型體作為增強補韌相，通過在合金絲中添加元素或在預成型體上沉積抗氧化塗層來提高高溫氧化性能，最後利用CVI技術進行界面層和陶瓷基體的製備，最終形成金屬陶瓷基複合材料。
6.根據權利要求5所述的陶瓷基複合材料，其特徵在於抗氧化塗層和合金絲添加元素是根據具體的合金絲而選擇，塗層厚度控制在0.1~lym，元素含量控制在1%~10%。
7.根據權利要求5所述的陶瓷基複合材料，其特徵在於預成型體是以連續無機纖維與短切鈮鋯、鈮鎢、鎢鑰或鎢錸等高溫合金絲或多者一起以錯開搭接的形式編織而成，它們可以通過三維技術編織成立體織物，或者先編織成二維布，布再纏繞成筒或其它三維形狀；無機纖維與合金絲可以單獨編織，也可以合股混捻或並絲成束後再編織。
8.根據權利要求7所述的陶瓷基複合材料，其特徵在於無機纖維採用連續纖維的形式，合金絲採用短切絲的形式，長度為1cm~10cm，編織時前後兩根合金絲以圍繞連續纖維錯開搭接的形式連接，搭接接頭控制在0.1~0.3cm。
9.根據權利要求7所述的陶瓷基複合材料，其特徵在於無機纖維含量佔預成型體的10~50%，編織體總體積佔複合材料總體積的50~70%。
【文檔編號】C04B35/76GK103951453SQ201410151232
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月15日 優先權日:2013年7月23日
【發明者】陳照峰, 聶麗麗 申請人:太倉派歐技術諮詢服務有限公司