CN101633253A - 陶瓷复合部件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种陶瓷复合部件。所述陶瓷复合部件包含：基材，所述基材包含碳纤维增强型碳复合材料；和在所述基材的表面上形成的陶瓷被覆层。在所述基材的表面上形成有多个孔，并且这些孔的内表面被覆有所述陶瓷被覆层。

Description

陶瓷复合部件

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年7月25日提交的日本专利申请2008-192440号的优先权，其全部主题以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及陶瓷复合部件，其中在碳纤维增强型碳复合材料(以下也称为“C/C复合材料”)的表面上设置有陶瓷被覆层，所述碳纤维增强型碳复合材料是包含碳纤维和碳基质的基材。所述碳基质可以为分层排列，并且必要时可以充填所述碳纤维之间的空隙。

背景技术

C/C复合材料具有优异的比强度和比模量，此外，在超过1000℃的高温区域具有优异的耐热性和化学稳定性，因此C/C复合材料已经得到广泛的工业应用，例如，用于包括航天用途在内的半导体制造装置和热压设备。同时，在该类型的工业材料中，辐射率和化学稳定性(反应性)受其表面露出部分的特性的影响。C/C复合材料是碳纤维与诸如玻碳、热解碳或石墨等碳基质的复合材料，因而由于原材料的选定所致变得难以获得高纯度的C/C复合材料，使得由其表面可能会发生污染物的扩散。

鉴于上述原因，已经提出在C/C复合材料中使诸如SiC被覆层或热解碳被覆层等陶瓷被覆层形成在其表面上。这种被覆层的形成改变了使用C/C复合材料的部件的表面的性质，从而能够改善放热和吸热特性或耐腐蚀性。此外，表面上形成的高纯度气体不透性陶瓷被覆层使得减少或防止C/C复合材料中含有的杂质的扩散成为可能。

在高温环境下使用的陶瓷复合材料在从常温被加热至高温时，由于基材与形成在其表面上的陶瓷被覆层之间的热膨胀系数差所致，而有可能在与基材的界面处发生层间剥离现象。鉴于此，已经提出了转换方法，其中使基材与表面层部分形成作为连续组织的碳化硅层以提供功能上梯度化的材料(例如，参见日本特开平5-132384号公报)。

此外，还提出了将通过抄造碳纤维得到的抄造体经化学气相渗透(CVI)用热解碳浸渍，由此形成热解碳被覆层(例如，参见日本特开2002-68851号公报)。

然而，在上述的通过转换方法获得的SiC被覆层或通过热解碳的CVI得到的被覆层中，该被覆层仅仅在陶瓷被覆层与基材之间的界面处才有效地作用于层间剥离。当基材是沿着与陶瓷被覆层平行的两个方向排列的C/C复合材料或者是多个层的层叠体时，或者当如无纺布一样构成基材的纤维在厚度方向彼此不交叉时，则C/C复合材料不具有对抗其内部的层间剥离的足够的强度。鉴于此，由陶瓷被覆层与C/C复合材料之间的热膨胀的差异而产生的内部应力所致，在C/C复合材料的内部有时会发生层间剥离现象。造成该现象的主要原因在于C/C复合材料的表面层附近的碳纤维层追随陶瓷被覆层而伸缩，而陶瓷被覆层的粘着力不对远离表面层的深层(C/C复合材料内部)起作用。

发明内容

考虑到上述情况本发明得以完成，本发明的一个目的是提供一种陶瓷复合部件，即使当不能充分确保剥离强度时，例如当其上将形成有陶瓷被覆层基材的C/C复合材料是沿两个方向排列的排列体或层叠体时，或者当形成C/C复合材料的碳纤维是无纺布时，所述陶瓷复合部件也可减少或防止由于与陶瓷被覆层的热膨胀差异所致而发生的C/C复合材料内部的层间剥离。

(1)根据本发明的一个方案，提供一种陶瓷复合部件，所述部件包含：基材，所述基材包含碳纤维增强型碳复合材料；和在所述基材的表面上形成的陶瓷被覆层，其中，多个孔形成于所述基材的表面上，并且所述孔的内表面被覆有所述陶瓷被覆层。

根据该陶瓷复合部件，被覆所述孔的内表面的陶瓷被覆层用作机械层间结合体从而展示对抗基材层间的剥离的对抗效果。也就是说，增大了剥离强度。附带提及，剥离强度与陶瓷被覆层和孔的内表面之间的接合表面的剪切强度成比例。

(2)在(1)的陶瓷复合部件中，所述孔可充填有形成所述陶瓷被覆层的陶瓷。

根据该陶瓷复合部件，与所述孔的内表面被覆的陶瓷具有中空管状结构的情况相比，充填的陶瓷成形为实心轴形从而增大了轴线方向的压缩-抗张强度及垂直于轴线的方向的剪切强度。

(3)在(1)的陶瓷复合部件中，在涂覆所述陶瓷被覆层后的所述多个孔的大多数的开口部的宽度可以是所述陶瓷被覆层的厚度的两倍以下。优选的是，超过80％、或超过90％、或超过95％、或者所有的开口部均为所述陶瓷被覆层的厚度的两倍以下。

根据该陶瓷复合部件，可减少或防止由于孔的开口部宽度与陶瓷被覆层厚度相比过度增大而导致的陶瓷被覆层的粘合强度的实效性的降低。也就是说，所述孔的内表面被覆的陶瓷被覆层的厚度被确保厚于形成被覆层后残留的中空孔的半径，并有效确保用作机械层间结合体的陶瓷被覆层的强度。

(4)在(1)～(3)中任一项的陶瓷复合部件中，所述基材可包含层叠体，该层叠体含有多个碳纤维层和多个碳基质层。

(5)在(4)的陶瓷复合部件中，所述孔可贯通至少最外层的碳纤维层。

根据该陶瓷复合部件，增大了陶瓷被覆层与至少最外层的碳纤维层之间的剥离强度。此外，所述孔贯通最外层的碳纤维层，由此陶瓷被覆层接合到所述孔的底部的由最外层起第二层的碳纤维层，从而也增大了最外层与第二碳纤维层之间的剥离强度。换言之，根据该陶瓷复合部件，剥离应力分布在多层上，因而与如果所有孔均具有均匀的深度的情况和剥离应力集中于仅仅一层上的情况相比，更不可能发生剥离。

(6)在(1)～(5)中任一项的陶瓷复合部件中，所述孔的深度可以不均匀。

根据该陶瓷复合部件，不会生成当孔的深度恒定时在特定层之间结合力不能作用的脆弱部。

(7)在(1)～(6)中任一项的陶瓷复合部件中，每一个所述孔均可以至少在其开口部为圆形。

根据该陶瓷复合部件，使用钻孔机或激光束加工机可容易地形成所述孔。剥离强度在距孔的轴线等距离的任意径向变得相等。与形成方孔等的情况相比，从轴线起的任何方向都不会出现剥离强度的差异，并且基材中不可能发生由于应力集中导致的应变。

(8)在(1)～(7)中任一项的陶瓷复合部件中，每一个所述孔均可具有从其开口部向内部扩大的锥形。

根据该陶瓷复合部件，锥形陶瓷被覆层与形成在基材表面上的陶瓷被覆层相连续，并作为系缚物(anchor)嵌埋在基材中，由此进一步增大层间剥离强度。

(9)在(1)～(8)中任一项的陶瓷复合部件中，所述孔可贯通基材。

根据该陶瓷复合部件，陶瓷被覆层以贯通基材表里的方式形成。因此，不仅陶瓷增大了孔中的接合表面的剪切强度，而且用于从表侧和里侧夹持基材的夹持力有助于改善剥离强度。

(10)在(1)～(9)中任一项的陶瓷复合部件中，所述碳纤维增强型碳复合材料可包含碳纤维和充填在所述碳纤维之间的空隙中的碳基质。

(11)在(1)～(10)中任一项的陶瓷复合部件中，所述碳纤维增强型碳复合材料可以没有垂纱。没有垂纱指的是少于1％、优选少于0.5％、更优选少于0.1％、最优选为0的纱在垂直方向上。

根据该陶瓷复合部件的实施方式，在基材的表面上形成有多个孔，并且所述孔的内表面被覆有陶瓷被覆层。因此，即使当不能充分确保剥离强度时，例如当作为基材的C/C复合材料是沿着与陶瓷被覆层平行的两个方向排列的排列体或层叠体时，或者当如在无纺布中所见纤维在厚度方向上彼此不交叉时，所述孔的内表面被覆的陶瓷也充当机械层间结合体从而在层叠方向结合基材，由此增大剥离强度并能够防止因陶瓷被覆层的被覆造成的热膨胀应变而发生的基材内部的剥离。

附图说明

通过下列结合附图的对本发明的示例性实施方式的描述，本发明的上述和其他方案将变得更加清楚且更容易理解，在附图中：

图1是显示本发明的实施方式的陶瓷复合部件的截面图；

图2是显示其中孔充填有陶瓷的变更实施方式的截面图；

图3是显示其中形成了具有不同深度的孔的变更实施方式的截面图；

图4是显示其中形成有锥形孔的变更实施方式的截面图；

图5是显示本发明的实施方式的陶瓷复合部件的截面图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的陶瓷复合部件的示例性实施方式进行描述。

图1是显示本发明的实施方式的陶瓷复合部件的截面图。

本发明的实施方式的陶瓷复合部件100包含基材15和被覆基材15的表面的陶瓷被覆层17。基材15包含碳纤维11和充填在碳纤维11之间的空隙中的碳基质13。

包含碳纤维11和充填在碳纤维11之间的空隙中的碳基质13的基材15是指碳纤维增强型碳复合材料(C/C复合材料)。构成碳纤维增强型碳复合材料的一部分的碳纤维11可以通过长丝缠绕、抄造或以织物形式等进行布置以强化该材料。在图1～4中，碳纤维11以经线(以线表示)纤维和纬线(以圈表示)纤维同时存在。

织物还可以包括具有厚度方向上的垂纱以及诸如平织织物、斜纹织物和三轴织物中的纤维等平面(经线和纬线)纤维的三维织物。然而，在该实施方式的陶瓷复合部件100中，碳纤维11通过不具有垂纱(没有垂纱)的平织织物、斜纹织物和三轴织物、抄造、非织造织物或长丝缠绕形成，作为具有如此形成的碳纤维11的基材15的C/C复合材料特别地发挥了其效果，这是因为不具有垂纱的陶瓷复合材料中厚度方向上的剥离强度不能得到充分确保。

充填在碳纤维11之间的空隙中的碳基质13的前体可以是任何前体，只要其通过烧制能够形成碳质或石墨基质即可。作为通过烧制而炭化或石墨化的基质前体，可以使用得自石油或煤等的沥青，以及具有高炭化收率的热固性树脂，如COPNA树脂、酚醛树脂、呋喃树脂或聚酰亚胺树脂。此外，所述基质也可以通过热解碳、SiC等的化学气相渗透(CVI)形成。

基材15中形成有多个孔19，这些孔19的内表面19a被覆(涂布)有陶瓷被覆层17。被覆所述孔19的内表面19a的陶瓷被覆层17a用作机械层间结合体，并具有对抗基材层间的剥离的对抗效果。形成于所述孔19的内表面19a上的陶瓷被覆层17a用作系缚物从而具有防止剥离的功能。也就是说，增大了剥离强度。剥离强度与陶瓷被覆层17a和孔19的内表面19a之间的接合表面的剪切强度成比例。

当基材15具有碳纤维11和碳基质13多层层叠的构成时，孔19贯通至少最外层的碳纤维11。这增大了陶瓷被覆层17和至少最外层的碳纤维11之间的剥离强度。此外，所述孔贯通最外层的碳纤维11，由此陶瓷被覆层17接合到所述孔19的底部的由最外层起第二层的碳纤维11的层，从而也增大了最外层与第二层的碳纤维11之间的剥离强度。

陶瓷被覆层17可以是任何被覆层，只要其具有耐热性并能够被覆在C/C复合材料上即可。例如，可以使用热解碳、SiC、BN、TaC、AlN等。有利地是使用各自具有同等水平的热膨胀系数的C/C复合材料和陶瓷被覆层17。然而，在一些待被覆的陶瓷种类中，在一些情况中不能选择与C/C复合材料的热膨胀系数同等的热膨胀系数。

在这样的情况中，存在下述忧虑：基材15和陶瓷被覆层17之间的热膨胀差异导致陶瓷被覆层17的剥离或基材15的层叠部分的剥离。与该情况相比，在该实施方式的陶瓷复合部件100中，陶瓷被覆层17在陶瓷被覆层17和基材15之间的界面处和在基材15的层叠部分处起系缚物的作用，由此能够减少或防止剥离。特别是，即使当陶瓷被覆层17和基材15之间的界面形成为功能上梯度化的材料，由此在上述的界面部分不易发生剥离时，由于陶瓷被覆层17和基材15之间的热膨胀差异产生的扭曲而发生的基材15内部的剥离也可通过系缚物的作用而得到减少或防止。

图2是显示其中孔充填有陶瓷的变更实施方式的截面图。

形成陶瓷被覆层17后的孔19可如图2所示密封，也可以如图1所示残留为孔19b。如图2所示，在孔19充填有形成陶瓷被覆层17的陶瓷17a的结构中，相比于如图1所示的孔19的内表面19a被覆的陶瓷17a具有中空管状结构的情况，充填的陶瓷17a配置为实心轴形，从而增大了轴线方向的压缩-抗张强度及垂直于轴线的方向的剪切强度。

另一方面，在图1所示的结构中，其中形成陶瓷被覆层17后的孔19残留为孔19b，孔19b的开口部的宽度W优选为陶瓷被覆层17a的厚度t的两倍以下。由于孔19b的开口部宽度W与陶瓷被覆层17a的厚度t相比过度增大而导致的陶瓷被覆层17a的粘合强度的实效性的降低可以得到减少或防止。也就是说，孔19的内表面19a被覆的陶瓷被覆层17a的厚度t被确保厚于形成被覆层后残留的中空孔19b的半径，并有效确保用作机械层间结合体的陶瓷被覆层17的强度。

多个孔19从基材15的表面起垂直形成。由于孔是垂直的，因此例如通过用切割工具切割或者在C/C复合材料固化烧制前穿孔可容易形成所述孔。此外，孔19的内表面19a易于由陶瓷被覆层17a被覆。

多个孔19可以形成于陶瓷复合部件100的整个表面，也可以仅仅形成于C/C复合材料的层叠表面的露出端部附近。此外，多个孔19可形成于陶瓷复合部件100的整个表面并以更高的密度形成于端部的附近。这是因为由于形成陶瓷被覆层17而发生的热膨胀应变有可能集中在端部附近，特别是，基材15的剥离很可能发生在端部附近。换言之，当孔19的深度d不均匀时，剥离应力分布在多层上，因而与如果孔具有相同的深度而剥离应力集中于仅仅一层上的情况相比，不大可能发生剥离。

图3是显示其中形成了具有不同深度的孔的另一变更实施方式的截曲图。

孔19的深度d可以均相同，也可以变化(不均匀)。当深度d相同时，孔19的最深部分的层处很有可能出现应力集中，导致孔19的最深部分的附近易于发生剥离。然而，当深度d变化时，变得不太可能出现应力集中，因而，变得不易发生剥离。也就是说，当孔19的深度d不均匀时，不会出现当孔的深度恒定时在特定层之间结合力不能作用的脆弱部。

对于孔19，有利的是每一个孔19均至少在开口部为圆形。在该情况中，使用钻孔机或激光束加工机可容易地形成孔。此外，剥离强度在距各孔19的轴线等距离的任意径向变得相等。与形成方孔等的情况相比，从轴线起的任何径向都不会出现剥离强度的差异，并且基材15中变得不可能发生由于应力集中导致的应变。

图4是显示其中形成有锥形孔的又一变更实施方式的截面图。

如图4所示，孔19可具有从其开口部向内部扩大的锥形。换言之，锥形具有在尺寸上小于其最深部的开口部。在该实施方式中，多个孔例如形成为截锥形。与形成在基材15表面上的陶瓷被覆层17相连续的锥形陶瓷17a作为不能被拔出的系缚物嵌埋在基材15中，由此进一步增大层间剥离强度。

此外，尽管未示出，多个孔19也可以完全贯通基材15。当孔19贯通基材15而形成时，陶瓷17a以由表及里贯通基材15的方式形成。因此，不仅陶瓷17a增大了孔中的接合表面的剪切强度，而且用于从表侧和里侧夹持基材15的夹持力有助于改善剥离强度。在该贯通结构中，在基材15的正面和背面上形成陶瓷被覆层17，形成于孔19的内表面19a上的陶瓷被覆层17在其两端与位于基材表里的陶瓷被覆层17相连续，由此能够形成将基材15从其表里夹持住的强接合结构。

下面，将描述用于制造陶瓷复合部件100的方法。

[基材]

作为基材15，可以使用任何C/C复合材料，只要其是市售的C/C复合材料即可。多个孔19可以在固化和烧制后的市售C/C复合材料上通过机械方式形成，也可以在固化和烧制前形成。在固化和烧制之后形成孔的情况中，所述孔可以通过任何方式形成，例如使用钻孔机等的机械方式，或激光加工等。

在固化和烧制之前形成孔的情况中，所述孔易于用针等形成，而无需使用钻孔机或激光加工机。当固化前形成时，将C/C复合材料软化以致孔19将消失。因此，孔19可以例如通过使用由树脂、木材或纸等制成的有机物的针形成，然后不将针拔出而固化并烧制。当使用有机物的针时，即使是在截锥形孔19中针也会在烧制过程中在大幅度收缩的同时被炭化或分解，由此能够易于除去。

[被覆]

陶瓷被覆层17的形成可通过任何已知方法进行。例如，在热解碳被覆的情况中，将上述过程中制得的C/C复合材料放在CVD炉中，于1300℃～2000℃加热。使诸如丙烷等用作原料的烃类气体和诸如氢气等载气流入炉中以在其表面上形成被覆层。附带地，原料气体在炉内扩散，因此能够渗透进入在C/C复合材料的表面上形成的多个孔中。因而，陶瓷被覆层17可形成于孔19的内表面19a上。

在SiC被覆层的情况中，将上述过程中制得的C/C复合材料放在CVD炉中，于1100℃～1500℃加热。使作为原料气体的三氯甲基硅烷和作为载气的氢气流入炉中，由此能够在其表面上形成被覆层。附带地，原料气体在炉内扩散，因此能够渗透进入在C/C复合材料的表面上形成的多个孔19中。。因而，陶瓷被覆层17能够容易地形成于孔19的内表面19a上。

此外，在SiC被覆层的情况中，其可以通过使用CVR法而非CVD法来形成。通过CVR法，由于形成了功能上梯度化的界面而不太可能发生被覆层与基材15的剥离。根据CVR法，将上述C/C复合材料放在反应炉中，该反应炉的底部已经放置有包含Si粉末或由SiC粉末与SiO₂粉末组成的混合物的发生源，随后于1600℃～2300℃加热，由此能够获得SiC被覆层。

因此，根据具有上述构成的陶瓷复合部件100，在基材15的表面上形成有多个孔19，而且孔19的内表面19a被覆有陶瓷被覆层17。因此，即使不能充分确保剥离强度时，例如当用作基材15的C/C复合材料是沿着与陶瓷被覆层17平行的两个方向排列的排列体或层叠体时，或者当如在无纺布中所见纤维在厚度方向上彼此不交叉时，被覆所述孔19的内表面19a的陶瓷被覆层17充当机械层间结合体从而在层叠方向结合基材15，由此能够增大剥离强度。结果，能够减少或防止因陶瓷被覆层17的被覆造成的热膨胀应变而发生的基材内部的剥离。

在上述各实施方式中，构成基材15的一部分的碳纤维11显示为织造织物形式，其中，经纱和纬纱在图中彼此交叉。不过，在本发明的实施方式的陶瓷复合部件100中，如图5所示或如已经描述的，构成基材15的碳纤维11可以为无纺布等，其中，碳纤维11在厚度方向上彼此不交叉。

Claims (11)

1.一种陶瓷复合部件，所述部件包含：

基材，所述基材包含碳纤维增强型碳复合材料；和

在所述基材的表面上形成的陶瓷被覆层，

其中，多个孔形成于所述基材的表面上，并且所述孔的内表面被覆有所述陶瓷被覆层。

2.如权利要求1所述的陶瓷复合部件，

其中，所述孔充填有形成所述陶瓷被覆层的陶瓷。

3.如权利要求1所述的陶瓷复合部件，

其中，在涂覆所述陶瓷被覆层后的所述多个孔的各自的开口部的宽度是所述陶瓷被覆层的厚度的两倍以下。

4.如权利要求1～3中任一项所述的陶瓷复合部件，

其中，所述基材包含层叠体，该层叠体含有多个碳纤维层和多个碳基质层。

5.如权利要求4所述的陶瓷复合部件，

其中，所述孔贯通至少最外层的碳纤维层。

6.如权利要求1～3中任一项所述的陶瓷复合部件，

其中，所述孔的深度不均匀。

7.如权利要求1～3中任一项所述的陶瓷复合部件，

其中，每一个所述孔均至少在其开口部为圆形。

8.如权利要求1～3中任一项所述的陶瓷复合部件，

其中，每一个所述孔均具有从其开口部向内部扩大的锥形。

9.如权利要求1～3中任一项所述的陶瓷复合部件，

其中，所述孔贯通所述基材。

10.如权利要求1～3中任一项所述的陶瓷复合部件，

其中，所述碳纤维增强型碳复合材料包含碳纤维和充填在所述碳纤维之间的空隙中的碳基质。

11.如权利要求1～3中任一项所述的陶瓷复合部件，

其中，所述碳纤维增强型碳复合材料没有垂纱。

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