一种耐高温陶瓷基复合材料界面复合涂层及制备方法
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％。
所述步骤三真空浸渍过程中，碳纤维预制体上聚碳硅烷溶液的负载量为预制体质量的5％-10％；压力浸渍过程中，碳纤维预制体上聚碳硅烷溶液的负载量为预制体质量的10％-15％。
所述步骤二中热解碳层沉积时，温度为800-1200℃，碳源气体为丙烷，载气为氩气，丙烷气体流量为1.0-10.0L/min，氩气流量为1.0-10.0L/min，炉内压强为 1.0-10.0KPa，沉积时间为10-50h。
所述步骤三中的浸渍的步骤如下：将步骤二所得碳纤维预制体在真空度为 -0.05～-0.1MPa常温环境下浸渍聚碳硅烷溶液，浸渍时间0.5-2h，之后在 1.0-8.0MPa压力常温环境下继续浸渍聚碳硅烷溶液，浸渍时间0.5-2h。
所述步骤四中干燥固化步骤如下：在50-100℃烘箱中固化1-10h，在 100-200℃环境下固化1-10h。
所述步骤五中高温裂解步骤如下：在惰性气体保护下1000-1500℃高温裂解 1-5h，使聚碳硅烷裂解生成SiC陶瓷，得到SiC层。
所述步骤一中脱脂处理温度为600-1200℃，时间1-4h。
与现有技术相比，本发明一种耐高温陶瓷基复合材料界面复合涂层及制备方法具有以下突出的有益效果：
有效改善了碳纤维/陶瓷基体的界面结合状态与微观组织结构，大大提高了复合材料的力学性能和抗氧化性能，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。
附图说明
图1是未做真空脱脂处理的碳纤维表面状态的扫描电镜图；
图2是真空脱脂处理后的碳纤维表面状态的扫描电镜图；
图3碳纤维表面沉积热解碳界面层后的扫描电镜图；
图4碳纤维表面沉积热解碳界面层并包覆碳化硅层后的扫描电镜图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种碳纤维增强耐高温陶瓷基复合材料界面复合涂层制备方法，制备步骤如下：
步骤一
将碳纤维预制体放入真空炉中在真空状态下进行脱脂处理，处理温度为 1050℃，处理时间2h；
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；热解碳层沉积时，温度为950℃，碳源气体为丙烷，载气为氩气，丙烷气体流量为 1.5L/min，氩气流量为4.5L/min，炉内压强为4.2KPa，沉积时间为10h；
步骤三
将步骤二所得碳纤维预制体在真空度为-0.08MPa常温环境下浸渍聚碳硅烷溶液，浸渍时间0.5h，之后在1.0MPa压力常温环境下继续浸渍聚碳硅烷溶液，浸渍时间1h，聚碳硅烷溶液的溶剂为二甲苯；
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；先在80℃下固化2h，在于120℃下固化4h；
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，在惰性气体保护下于 1300℃下裂解1h，使聚碳硅烷裂解生成SiC陶瓷，得到SiC界面层；
本实例制得的热解碳/碳化硅复合界面涂层，通过扫描电镜观察发现，热解碳层厚度均匀，厚度约为200nm。经过浸渍裂解聚碳硅烷之后，热解碳层外侧包覆了一层均匀的SiC层。热解碳/碳化硅复合界面涂层，能够改善碳纤维与陶瓷基体的界面结合状态与微观组织结构，提高复合材料的力学性能和抗氧化性能。
实施例2
一种碳纤维增强耐高温陶瓷基复合材料界面复合涂层制备方法，制备步骤如下：
步骤一
将碳纤维预制体放入真空炉中在真空状态下进行脱脂处理，处理温度为 1100℃，处理时间2h；
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；热解碳层沉积时，温度为970℃，碳源气体为丙烷，载气为氩气，丙烷气体流量为2.0L/min，氩气流量为4.0L/min，炉内压强为4.5KPa，沉积时间为12h；
步骤三
将步骤二所得碳纤维预制体在真空度为-0.1MPa常温环境下浸渍聚碳硅烷溶液，浸渍时间0.5h，之后在2.0MPa压力常温环境下继续浸渍聚碳硅烷溶液，浸渍时间1h，聚碳硅烷溶液的溶剂为二甲苯；
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；先在100℃下固化2h，在于140℃下固化4h；
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，在惰性气体保护下于1350℃下裂解1h，使聚碳硅烷裂解生成SiC陶瓷，得到SiC界面层；
本实例制得的热解碳/碳化硅复合界面涂层，通过扫描电镜观察发现，热解碳层厚度均匀，厚度约为260nm，经过浸渍裂解聚碳硅烷之后，热解碳层外侧包覆了一层均匀的SiC层。热解碳/碳化硅复合界面涂层，能够缓解碳纤维与陶瓷基体的热膨胀系数不匹配，提高复合材料的力学性能，同时能够保护碳纤维不受氧化侵蚀，提高复合材料的耐高温抗氧化性能。
对比例1
本对比例中界面层的制备只进行热解碳界面层的沉积，制备步骤如下：
步骤一
将碳纤维预制体放入真空炉中在真空状态下进行脱脂处理，处理温度为 1050℃，处理时间2h；
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；热解碳层沉积时，温度为950℃，碳源气体为丙烷，载气为氩气，丙烷气体流量为 1.5L/min，氩气流量为4.5L/min，炉内压强为4.2KPa，沉积时间为10h。
对比例2
本对比例中界面层的制备只进行碳化硅界面层的制备，制备步骤如下：
步骤一
将碳纤维预制体在真空度为-0.08MPa的环境下浸渍，后在1.0MPa压力下继续浸渍，浸渍液为聚碳硅烷溶液，聚碳硅烷溶液的溶剂为二甲苯；
步骤二
将步骤一浸渍完成的碳纤维预制体，置于烘箱中干燥固化；先在80℃下固化2h，在于120℃下固化4h；
步骤三
将步骤二干燥固化后的碳纤维预制体置于真空炉中，在惰性气体保护下于 1300℃下裂解1h，使聚碳硅烷裂解生成SiC陶瓷，得到SiC界面层。
表1为对比例和实施例1-2的性能数据，由表1可以看出，制备了热解碳/SiC复合界面层的复合材料的抗氧化能力要明显优于未制备热解碳/SiC复合界面层的复合材料，同时弯曲强度和断裂韧性也有较大提高。这说明热解碳/SiC复合界面层，能够提高碳纤维增强复合材料的耐高温抗氧化性能和力学性能。
表1
表1为对比例、空白例和实施例的性能数据，其中空白例的界面处既不做 SiC外层的制备，也不进行热解碳界面层的沉积。由表1可以看出，制备了热解碳/SiC复合界面层的复合材料的抗氧化能力要明显优于未制备热解碳/SiC复合界面层的复合材料，同时弯曲强度和断裂韧性也有较大提高。这说明热解碳/SiC 复合界面层，能够提高碳纤维增强复合材料的耐高温抗氧化性能和力学性能。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
