CN113233909A - 新型纤维增韧陶瓷基复合材料、其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型纤维增韧陶瓷基复合材料、其制备方法与应用。所述新型纤维增韧陶瓷基复合材料包括基体和增强增韧相,所述基体为陶瓷材料,所述增强增韧相为纤维,并且,所述纤维表面具有层状RExSiyCz界面层,RE包括Sc、Y及镧系元素。本发明将镧系元素硅碳化物作为纤维增强陶瓷基复合材料的界面层,利用其独特的层状结构,在界面产生裂纹偏转、层间撕裂、层间滑移、片状晶褶皱等断裂能吸收机制,可有效抑制裂纹在复合材料内部的扩展,从而可有效提高复合材料的断裂韧性。本发明所采用的界面层材料镧系元素硅碳化物具有优异的耐高温耐氧化耐腐蚀性能,所获得的陶瓷基复合材料可应用在航空航天及核能系统等极端服役环境中。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷基复合材料技术领域,具体涉及一种新型陶瓷基复合材料界面层的组成、新型纤维增韧陶瓷基复合材料的结构及其制备方法与应用。
背景技术
纤维增强陶瓷基复合材料具有轻质、高强、耐高温、耐氧化、耐腐蚀、耐辐照等一系列优点,在航空航天、核能等领域具有广阔的应用前景。在纤维增强增韧陶瓷基复合材料中,纤维与陶瓷基体之间的界面层是复合材料关键组成之一,决定了纤维和基体材料之间的力学、热学和电磁学等方面的性能。界面层组成的选择、结构的控制是纤维增强陶瓷基复合材料研究的关键问题之一。
目前,关于界面层的选择主要有热解碳(Pyrolytic Carbon,PyC)、六方氮化硼(Hexagonal-BN),以及(SiC/BN)n、(SiC/PyC)n多层界面层等几种材料体系。其中,PyC界面层在空气中400℃以上会被氧化而失效,而BN界面氧化温度为850℃以上,但在高温下应用时,如航空航天飞行器上,服役温度超过1000℃,复合材料力学性能将大幅下降,难以满足要求。另一方面,在核能应用领域,B由于中子吸收截面较大,在中子辐照下会快速嬗变而导致界面失效,不适用与核能领域。PyC与PyC/SiC多层界面层是另一类广泛采用的界面层,但PyC界面层在中子辐照环境下会发生明显的形貌变化与体积收缩,导致界面脱粘,对复合材料的性能带来十分不利的影响。中科院宁波材料所与北京大学重离子物理研究所合作研究发现,即便当50keV He离子辐照剂量高达31.3dpa时,Ti3AlC2等MAX相材料仍未发现典型的非晶化结构。基于此,中科院宁波材料所提出以新型MAX相(M是前过渡金属,如Ti、V、Nb等;A为主族元素,通常为Al、Si等;X是C或/和N)材料为碳化硅纤维表面涂层的方案制备SiCf/SiC复合材料,引起了广泛的关注。然而,MAX相涂层制备过程中容易产生金属间化合物等杂质,并且热失配严重,耐氧化性能尚待检验。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种新型陶瓷基复合材料界面层的组成、新型纤维增韧陶瓷基复合材料的结构、制备方法与应用。
为实现前述发明目的,本发明采用的技术方案包括:
本发明实施例提供了一种新型陶瓷基复合材料界面层,所述界面层具有层状RExSiyCz材料,其中,RE包括Sc、Y以及镧系元素La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的任意一种或两种以上的组合,x=1~10,y=1~5,z=1~5。
本发明实施例还提供了一种新型纤维增韧陶瓷基复合材料,其包括基体和增强增韧相,所述基体为陶瓷材料,所述增强增韧相为纤维,并且,所述纤维表面具有层状RExSiyCz界面层,其中,RE包括Sc、Y以及镧系元素La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的任意一种或两种以上的组合。
本发明实施例还提供了一种新型纤维增韧陶瓷基复合材料的制备方法,其包括:
先将纤维缠绕或者编织在预制件模具上,得到纤维预制体,之后在所述纤维预制体表面制备形成界面层,再在所述界面层表面制备陶瓷基体,获得具有层状RExSiyCz界面层的新型纤维增韧陶瓷基复合材料;
或者,先将纤维编织成纤维布,并在纤维布表面制备形成界面层,之后将所获纤维布制成纤维预制体,再在所获纤维预制体表面制备陶瓷基体,获得具有层状RExSiyCz界面层的新型纤维增韧陶瓷基复合材料。
本发明实施例还提供了前述的新型纤维增韧陶瓷基复合材料于航空航天、核能系统、半导体、电磁屏蔽或结构件等领域中的应用。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
1)本发明将镧系元素硅碳化物作为纤维增强陶瓷基复合材料的界面层,利用其独特的层状结构,在界面产生裂纹偏转、层间撕裂、层间滑移、片状晶褶皱等断裂能吸收机制,可有效抑制裂纹在复合材料内部的扩展,从而可有效提高复合材料的断裂韧性;
2)本发明所采用的界面层材料镧系元素硅碳化物具有优异的耐高温耐氧化耐腐蚀性能,所获得的陶瓷基复合材料可应用在航空航天及核能系统等极端服役环境中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中陶瓷基复合材料的碳化硅纤维表面Tb3Si2C2界面层的示意图;
图2是本发明实施例2中陶瓷基复合材料的碳化硅纤维表面Yb3Si2C2界面层的示意图;
图3是本发明实施例3中陶瓷基复合材料的碳化硅纤维表面PyC/SiC/Tb3Si2C2多层界面的示意图;
图4是本发明实施例4中陶瓷基复合材料的碳纤维表面PyC/SiC/Pr3Si2C2多层界面的示意图;
图5是本发明实施例5中陶瓷基复合材料的碳化硅纤维表面PyC/SiC/Er3Si2C2多层界面的示意图。
具体实施方式
镧系元素硅碳化物具有类MAX相的层状结构,其组成主要包括RE3Si2C2、RE5Si3C1相,其中RE为Sc、Y以及镧系元素La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等中的一种或两种及以上的组合,具有良好的导电、导热以及抗热震性能,其硬度和弹性模量均较高,特别是在高温氧化后会形成稀土硅酸盐保护膜,具有优良的耐高温氧化性能。由于其具有独特的层状结构,使得其在断裂时具有多种断裂能吸收机制,如层间撕裂、层间滑移、片层晶褶皱、裂纹偏转等。因此,镧系元素硅碳化物作为纤维增强陶瓷基复合材料的界面层在航空航天、核能等领域具有广阔的应用前景。
本案发明人在长期研究和大量实践的过程中,得以提出本发明的技术方案,如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
作为本发明技术方案的一个方面,其所涉及的系一种新型纤维增韧陶瓷基复合材料的界面层,所述界面层具有层状RExSiyCz材料,其中,RE包括Sc、Y以及镧系元素La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的任意一种或两种以上的组合,x=1~10,y=1~5,z=1~5。
作为本发明技术方案的另一个方面,其所涉及的系一种新型纤维增韧陶瓷基复合材料,其包括基体和增强增韧相,所述基体为陶瓷材料,所述增强增韧相为纤维,并且,所述纤维表面具有层状RExSiyCz界面层,其中,RE包括Sc、Y以及镧系元素La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的任意一种或两种以上的组合。
进一步地,所述具有层状RExSiyCz(RE为Sc,Y以及镧系元素La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu中的一种或两种及以上的组合)界面层的纤维增韧陶瓷基复合材料以纤维为增强增韧相,以陶瓷材料为基体,所述纤维表面包含层状RExSiyCz涂层。
在一些实施方式中,所述界面层具有层状RExSiyCz材料,优选包括RE3Si2C2相、RE5Si3C1相中的任意一种或两种的组合,其中RE为Sc、Y以及镧系元素La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或两种及以上的组合。
进一步地,所述层状RExSiyCz界面层为RE3Si2C2,RE为Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或两种及以上的组合。
在一些实施方式中,所述层状RExSiyCz界面层包括单层界面层或者不同种类的层状RExSiyCz材料交替组成的多层结构界面层。
在一些实施方式中,所述层状RExSiyCz界面层还包括掺杂相,所述掺杂相包括MAX相、PyC、BN、SiC中的任意一种或两种以上的组合,或者,所述界面层包括层状RExSiyCz材料和掺杂相交替组成的多层结构界面层。
进一步地,所述层状RExSiyCz界面层可与MAX相、PyC、BN、SiC中的一种或者几种掺杂,或者交替组成的多层结构界面层。
进一步地,所述层状RExSiyCz界面层的厚度为20nm~100μm,优选为100nm~2μm。
在一些实施方式中,所述纤维包括碳化硅纤维、碳化硅晶须、碳纤维、氧化铝纤维、石英纤维、莫来石纤维、玄武岩纤维、硅酸盐纤维、铝酸盐纤维等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
进一步地,所述新型纤维增韧陶瓷基复合材料中纤维所占的体积分数可控,优选为1~95%,进一步优选为20~70%,更优选为30~60%。
在一些实施方式中,所述陶瓷材料包括碳化硅、碳化锆、碳化钛、碳化钽、碳化铪、碳化钨、氮化硅、氧化铝、氧化锆、莫来石等中的任意一种或两种以上的组合,但不限于此。
作为本发明技术方案的另一个方面,其所涉及的系一种新型纤维增韧陶瓷基复合材料的制备方法,其包括:
先将纤维缠绕或者编织在预制件模具上,得到纤维预制体,之后在所述纤维预制体表面制备形成界面层,再在所述界面层表面制备陶瓷基体,获得具有层状RExSiyCz界面层的新型纤维增韧陶瓷基复合材料;
或者,先将纤维编织成纤维布,并在纤维布表面制备形成界面层,之后将所获纤维布制成纤维预制体,再在所获纤维预制体表面制备陶瓷基体,获得具有层状RExSiyCz界面层的新型纤维增韧陶瓷基复合材料。
在一优选实施方式中,所述制备方法具体包括如下步骤:
(1)利用纤维缠绕或编制机将纤维按照一定角度缠绕或者编制在预制件模具上,得到纤维预制体;
(2)在纤维预制体表面制备界面层;
(3)在界面层表面制备基体。
在另一优选实施方式中,所述制备方法包括:可将纤维编织成纤维布,在纤维布表面制备界面层,然后将纤维布制作成纤维预制体,再在纤维预制体表面制备陶瓷基体,得到具有层状RExSiyCz界面层的纤维增韧陶瓷基复合材料。
进一步地,所述步骤(1)中编织纤维采用的方法包括2D编织、2.5D编织、3D编织或者4D编织中的任意一种,但不限于此。
进一步地,所述步骤(2)中包括:至少采用熔盐法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、先驱体转化法中的任一种方法制备形成所述界面层。
进一步地,所述步骤(3)中包括:至少采用先驱体转化法、化学气相渗透法、固相法、熔体渗透法、纳米浆料浸渍共晶转化法、溶胶凝胶法、电泳沉积法中的任一种方法制备形成所述陶瓷基体。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述任一种所述新型纤维增韧陶瓷基复合材料可应用于航空航天、核能系统、半导体、电磁屏蔽或结构件等领域中。
综上所述,本发明将镧系元素硅碳化物作为纤维增强陶瓷基复合材料的界面层,利用其独特的层状结构,在界面产生裂纹偏转、层间撕裂、层间滑移、片状晶褶皱等断裂能吸收机制,可有效抑制裂纹在复合材料内部的扩展,从而可有效提高复合材料的断裂韧性。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及若干较佳实施例,对本发明的技术方案进行进一步详细的解释说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
本实施例中陶瓷基复合材料以碳化硅纤维增强的碳化硅复合材料为例,所述纤维与基体之间的界面层为Tb3Si2C2,具体制备步骤如下:
(1)将碳化硅纤维编织成2D碳化硅纤维预制体,碳化硅纤维体积分数控制为50%;
(2)采用化学气相沉积法在碳化硅纤维表面沉积Tb层,通过原位反应获得Tb3Si2C2界面层,如图1所示,其厚度为800nm;
(3)采用先驱体转化法在预制体和界面层上制备碳化硅基体,通过11次浸渍裂解获得致密的具有Tb3Si2C2界面层的碳化硅纤维增强的碳化硅复合材料。
实施例2
本实施例中陶瓷基复合材料以碳化锆为基体,以碳化硅纤维为增韧相,所述纤维与基体之间的界面层为Yb3Si2C2,具体制备步骤如下:
(1)利用纤维编织机将碳化硅纤维编织成2.5D纤维预制体,纤维体积分数为60%;
(2)采用熔盐法在SiC纤维表面生长Yb3Si2C2,获得Yb3Si2C2界面层,如图2所示,其厚度为500nm;
(3)采用电泳沉积法在Yb3Si2C2界面上沉积碳化锆基体,获得致密的具有Yb3Si2C2界面层的碳化硅纤维增强的碳化锆复合材料。
实施例3
本实施例中陶瓷基复合材料以碳化硅为基体,以碳化硅纤维为增韧相,所述纤维与基体之间的界面层为PyC/SiC/Tb3Si2C2多层界面,具体制备步骤如下:
(1)利用纤维编织机将碳化硅纤维编织成3D纤维预制体,纤维体积分数为40%;
(2)采用化学气相沉积法在碳化硅纤维表面沉积PyC涂层和SiC涂层,PVD的方法在SiC涂层表面沉积Tb,再通过原位反应获得PyC/SiC/Tb3Si2C2多层界面,如图3所示,其厚度为1μm;
(3)采用化学气相沉积法在PyC/SiC/Tb3Si2C2多层界面上沉积SiC基体,获得致密的具有PyC/SiC/Tb3Si2C2多层界面层的碳化硅纤维增强的碳化硅复合材料。
实施例4
本实施例中陶瓷基复合材料以碳化硅为基体,以碳纤维为增韧相,所述纤维与基体之间的界面层为PyC/SiC/Pr3Si2C2多层界面,具体制备步骤如下:
(1)利用纤维编织机将碳纤维编织成3D纤维预制体,纤维体积分数为45%;
(2)采用化学气相沉积法在碳纤维表面沉积PyC涂层和SiC涂层,采用熔盐法在SiC涂层表面生长Pr3Si2C2,获得PyC/SiC/Pr3Si2C2多层界面,如图4所示,其厚度为500nm;
(3)采用化学气相沉积法在PyC/SiC/Pr3Si2C2多层界面上沉积SiC基体,获得致密的具有PyC/SiC/Pr3Si2C2多层界面层的碳纤维增强的碳化硅复合材料。
实施例5
本实施例中陶瓷基复合材料以碳化硅为基体,以碳化硅纤维为增韧相,所述纤维与基体之间的界面层为PyC/SiC/Er3Si2C2多层界面,具体制备步骤如下:
(1)利用纤维编织机将碳化硅纤维编织成3D纤维预制体,纤维体积分数为45%;
(2)采用化学气相沉积法在碳化硅纤维表面沉积PyC涂层和SiC涂层,采用熔盐法在SiC涂层表面生长Er3Si2C2,获得PyC/SiC/Er3Si2C2多层界面,如图5所示,其厚度为400nm;
(3)采用化学气相沉积法在PyC/SiC/Er3Si2C2多层界面上沉积SiC基体,获得致密的具有PyC/SiC/Er3Si2C2多层界面层的碳纤维增强的碳化硅复合材料。
实施例6
本实施例中陶瓷基复合材料以碳化铪为基体,以碳化硅晶须为增韧相,所述纤维与基体之间的界面层为BN/SiC/Lu3Si2C2多层界面,具体制备步骤如下:
(1)采用化学气相沉积法在碳化硅晶须表面沉积BN涂层和SiC涂层,采用熔盐法在SiC涂层表面生长Lu3Si2C2,获得BN/SiC/Lu3Si2C2多层界面,如图5所示,其厚度为600nm;
(2)采用电泳沉积法在BN/SiC/Lu3Si2C2多层界面上沉积碳化铪基体,获得致密的具有BN/SiC/Lu3Si2C2多层界面层的碳化硅晶须增强的碳化铪复合材料,其中碳化硅晶须体积分数为1%。
实施例7
本实施例中陶瓷基复合材料以碳化钛为基体,以氧化铝纤维为增韧相,所述纤维与基体之间的界面层为SiC/Dy3Si2C2多层界面,具体制备步骤如下:
(1)利用纤维编织机将氧化铝纤维编织成3D纤维预制体,纤维体积分数为20%;
(2)采用化学气相沉积法在氧化铝纤维表面沉积SiC涂层,采用熔盐法在SiC涂层表面生长Dy3Si2C2,获得SiC/Dy3Si2C2多层界面,如图5所示,其厚度为100nm;
(3)采用纳米浆料浸渍共晶转化法在SiC/Dy3Si2C2多层界面上沉积碳化钛基体,获得致密的具有SiC/Dy3Si2C2多层界面层的氧化铝纤维增强的碳化钛复合材料。
实施例8
本实施例中陶瓷基复合材料以氧化铝为基体,以石英纤维为增韧相,所述纤维与基体之间的界面层为SiC/La3Si2C2多层界面,具体制备步骤如下:
(1)利用纤维编织机将石英纤维编织成2D纤维预制体,纤维体积分数为70%;
(2)采用化学气相沉积法在石英纤维表面沉积SiC涂层,采用化学气相沉积法在SiC涂层表面生长La3Si2C2,获得SiC/La3Si2C2多层界面,如图5所示,其厚度为900nm;
(3)采用溶胶凝胶法在SiC/La3Si2C2多层界面上沉积氧化铝基体,获得致密的具有SiC/La3Si2C2多层界面层的石英纤维增强的氧化铝复合材料。
实施例9
本实施例中陶瓷基复合材料以氧化锆为基体,以莫来石纤维为增韧相,所述纤维与基体之间的界面层为SiC/Ho3Si2C2多层界面,具体制备步骤如下:
(1)利用纤维编织机将莫来石纤维编织成2.5D纤维预制体,纤维体积分数为60%;
(2)采用先驱体转化法在莫来石纤维表面沉积SiC涂层,采用熔盐法法在SiC涂层表面生长Ho3Si2C2,获得SiC/Ho3Si2C2多层界面,如图5所示,其厚度为2000nm;
(3)采用熔体渗透法在SiC/Ho3Si2C2多层界面上制备氧化锆基体,获得致密的具有SiC/Ho3Si2C2多层界面层的莫来石纤维增强的氧化锆复合材料。
实施例10
本实施例中陶瓷基复合材料以莫来石为基体,以玄武岩纤维为增韧相,所述纤维与基体之间的界面层为SiC/Eu3Si2C2多层界面,具体制备步骤如下:
(1)利用纤维编织机将玄武岩纤维编织成2D纤维预制体,纤维体积分数为70%;
(2)采用先驱体转化法在玄武岩纤维表面沉积SiC涂层,采用熔盐法在SiC涂层表面生长Eu3Si2C2,获得SiC/Eu3Si2C2多层界面,如图5所示,其厚度为100nm;
(3)采用固相法在SiC/Eu3Si2C2多层界面上制备莫来石基体,获得致密的具有SiC/Eu3Si2C2多层界面层的玄武岩纤维增强的莫来石复合材料。
实施例11
本实施例中陶瓷基复合材料以碳化硅纤维增强的碳化硅复合材料为例,所述纤维与基体之间的界面层为Gd3Si2C2,具体制备步骤如下:
(1)将碳化硅纤维编织成3D碳化硅纤维预制体,碳化硅纤维体积分数控制为30%;
(2)采用熔盐法在碳化硅纤维表面获得Gd3Si2C2界面层,如图1所示,其厚度为100nm;
(3)采用先驱体转化法在预制体和界面层上制备碳化硅基体,通过11次浸渍裂解获得致密的具有Gd3Si2C2界面层的碳化硅纤维增强的碳化硅复合材料。
此外,本案发明人还参照前述实施例1-11,以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验,并均获得了较为理想的结果。
应当理解,以上仅是本发明的具体应用范例,对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案,均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种新型纤维增韧陶瓷基复合材料,其特征在于包括基体和增强增韧相,所述基体为陶瓷材料,所述增强增韧相为纤维,并且,所述纤维表面具有层状RExSiyCz界面层,其中,RE包括Sc、Y以及镧系元素La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的任意一种或两种以上的组合,x=1~10,y=1~5,z=1~5。
2.根据权利要求1所述的新型纤维增韧陶瓷基复合材料,其特征在于:所述界面层具有层状RExSiyCz材料,优选包括RE3Si2C2相、RE5Si3C1相中的任意一种或两种的组合;
和/或,所述界面层包括单层界面层或者不同种类的层状RExSiyCz材料交替组成的多层结构界面层。
3.根据权利要求1所述的新型纤维增韧陶瓷基复合材料,其特征在于:所述界面层还包括掺杂相,所述掺杂相包括MAX相、PyC、BN、SiC中的任意一种或两种以上的组合,优选的,所述界面层包括层状RExSiyCz材料和掺杂相交替组成的多层结构界面层。
4.根据权利要求1所述的新型纤维增韧陶瓷基复合材料,其特征在于:所述界面层的厚度为20nm~100μm,优选为100nm~2μm。
5.根据权利要求1所述的新型纤维增韧陶瓷基复合材料,其特征在于:所述纤维包括碳化硅纤维、碳化硅晶须、碳纤维、氧化铝纤维、石英纤维、莫来石纤维、玄武岩纤维、硅酸盐纤维、铝酸盐纤维中的任意一种或两种以上的组合。
6.根据权利要求1所述的新型纤维增韧陶瓷基复合材料,其特征在于:所述新型纤维增韧陶瓷基复合材料中纤维的体积分数为1~95%,优选为20~70%,更优选为30~60%。
7.根据权利要求1所述的新型纤维增韧陶瓷基复合材料,其特征在于:所述陶瓷材料包括碳化硅、碳化锆、碳化钛、碳化钽、碳化铪、碳化钨、氮化硅、氧化铝、氧化锆、莫来石中的任意一种或两种以上的组合。
8.权利要求1-7中任一项所述的新型纤维增韧陶瓷基复合材料的制备方法,其特征在于包括:
先将纤维缠绕或者编织在预制件模具上,得到纤维预制体,之后在所述纤维预制体表面制备形成界面层,再在所述界面层表面制备陶瓷基体,获得具有层状RExSiyCz界面层的新型纤维增韧陶瓷基复合材料;
或者,先将纤维编织成纤维布,并在纤维布表面制备形成界面层,之后将所获纤维布制成纤维预制体,再在所获纤维预制体表面制备陶瓷基体,获得具有层状RExSiyCz界面层的新型纤维增韧陶瓷基复合材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于:编织所述纤维采用的方法包括2D编织、2.5D编织、3D编织或者4D编织中的任意一种;
和/或,所述制备方法包括:至少采用熔盐法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、先驱体转化法中的任一种方法制备形成所述界面层;
和/或,所述制备方法包括:至少采用先驱体转化法、化学气相渗透法、固相法、熔体渗透法、纳米浆料浸渍共晶转化法、溶胶凝胶法、电泳沉积法中的任一种方法制备形成所述陶瓷基体。
10.权利要求1-7所述的新型纤维增韧陶瓷基复合材料于航空航天、核能系统、半导体、电磁屏蔽或结构件领域中的应用。
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Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113788707A (zh) * | 2021-10-09 | 2021-12-14 | 航天特种材料及工艺技术研究所 | 一种铈改性抗氧化陶瓷基复合材料及其制备方法 |
CN113896552A (zh) * | 2021-09-24 | 2022-01-07 | 北京安达维尔航空设备有限公司 | 一种碳化硼陶瓷及其制备方法和应用 |
CN114560714A (zh) * | 2022-03-14 | 2022-05-31 | 宁波杭州湾新材料研究院 | 一种纤维增韧陶瓷基复合材料及其制备方法与应用 |
CN114574789A (zh) * | 2022-03-14 | 2022-06-03 | 宁波杭州湾新材料研究院 | 碳化硅纤维及中高熵陶瓷增强金属基复合材料及制备方法 |
CN114606453A (zh) * | 2022-03-14 | 2022-06-10 | 宁波杭州湾新材料研究院 | 一种新型金属基复合材料及其制备方法与应用 |
CN114988902A (zh) * | 2022-06-28 | 2022-09-02 | 中国航发北京航空材料研究院 | 一种纳米线原位增韧高熵稀土硅酸盐陶瓷粉体材料及其制备方法 |
CN115196951A (zh) * | 2022-07-19 | 2022-10-18 | 湖南工业大学 | 一种多层结构的改性碳纤维-莫来石陶瓷吸波材料及其制备方法 |
CN116462525A (zh) * | 2023-06-19 | 2023-07-21 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种连续碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料及其制备方法 |
WO2023174160A1 (zh) * | 2022-03-14 | 2023-09-21 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 中高熵陶瓷材料、纤维增韧陶瓷基复合材料及制法与应用 |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103910532A (zh) * | 2013-01-05 | 2014-07-09 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 涂层无机纤维增韧max相陶瓷复合材料、其制备方法及用途 |
CN106083117A (zh) * | 2016-06-21 | 2016-11-09 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 具有三元层状max相界面层的纤维增韧陶瓷基复合材料及其制备方法 |
CN110330357A (zh) * | 2019-07-19 | 2019-10-15 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种用于连接碳化硅材料的连接材料及其应用 |
CN110357650A (zh) * | 2019-07-19 | 2019-10-22 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种用于连接碳化硅材料的连接材料及其应用 |
CN111087251A (zh) * | 2018-10-24 | 2020-05-01 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 用于连接碳化硅材料的连接材料及其应用 |
CN111875403A (zh) * | 2020-09-04 | 2020-11-03 | 宁波材料所杭州湾研究院 | 用于连接碳化硅材料的连接材料、系统、连接结构及应用 |
CN212451221U (zh) * | 2020-09-04 | 2021-02-02 | 宁波材料所杭州湾研究院 | 用于连接碳化硅材料的系统、多层复合膜结构及连接结构 |
-
2021
- 2021-05-18 CN CN202110538205.5A patent/CN113233909A/zh active Pending
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103910532A (zh) * | 2013-01-05 | 2014-07-09 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 涂层无机纤维增韧max相陶瓷复合材料、其制备方法及用途 |
CN106083117A (zh) * | 2016-06-21 | 2016-11-09 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 具有三元层状max相界面层的纤维增韧陶瓷基复合材料及其制备方法 |
CN111087251A (zh) * | 2018-10-24 | 2020-05-01 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 用于连接碳化硅材料的连接材料及其应用 |
CN110330357A (zh) * | 2019-07-19 | 2019-10-15 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种用于连接碳化硅材料的连接材料及其应用 |
CN110357650A (zh) * | 2019-07-19 | 2019-10-22 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种用于连接碳化硅材料的连接材料及其应用 |
CN111875403A (zh) * | 2020-09-04 | 2020-11-03 | 宁波材料所杭州湾研究院 | 用于连接碳化硅材料的连接材料、系统、连接结构及应用 |
CN212451221U (zh) * | 2020-09-04 | 2021-02-02 | 宁波材料所杭州湾研究院 | 用于连接碳化硅材料的系统、多层复合膜结构及连接结构 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
JUNQI SHAO: "Fabrication and characterization of SPS sintered SiC-based ceramic from Y3Si2C2-coated SiC powders", 《JOURNAL OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY》 * |
YANCHUN ZHOU: "Y5Si3C and Y3Si2C2: Theoretically predicted MAX phase like damage tolerant ceramics and promising interphase materials for SiCf/SiC composites", 《JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE & TECHNOLOGY》 * |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113896552A (zh) * | 2021-09-24 | 2022-01-07 | 北京安达维尔航空设备有限公司 | 一种碳化硼陶瓷及其制备方法和应用 |
CN113788707A (zh) * | 2021-10-09 | 2021-12-14 | 航天特种材料及工艺技术研究所 | 一种铈改性抗氧化陶瓷基复合材料及其制备方法 |
CN114560714A (zh) * | 2022-03-14 | 2022-05-31 | 宁波杭州湾新材料研究院 | 一种纤维增韧陶瓷基复合材料及其制备方法与应用 |
CN114574789A (zh) * | 2022-03-14 | 2022-06-03 | 宁波杭州湾新材料研究院 | 碳化硅纤维及中高熵陶瓷增强金属基复合材料及制备方法 |
CN114606453A (zh) * | 2022-03-14 | 2022-06-10 | 宁波杭州湾新材料研究院 | 一种新型金属基复合材料及其制备方法与应用 |
CN114574789B (zh) * | 2022-03-14 | 2023-02-24 | 宁波杭州湾新材料研究院 | 碳化硅纤维及中高熵陶瓷增强金属基复合材料及制备方法 |
WO2023174160A1 (zh) * | 2022-03-14 | 2023-09-21 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 中高熵陶瓷材料、纤维增韧陶瓷基复合材料及制法与应用 |
CN114988902A (zh) * | 2022-06-28 | 2022-09-02 | 中国航发北京航空材料研究院 | 一种纳米线原位增韧高熵稀土硅酸盐陶瓷粉体材料及其制备方法 |
CN115196951A (zh) * | 2022-07-19 | 2022-10-18 | 湖南工业大学 | 一种多层结构的改性碳纤维-莫来石陶瓷吸波材料及其制备方法 |
CN115196951B (zh) * | 2022-07-19 | 2023-02-24 | 湖南工业大学 | 一种多层结构的改性碳纤维-莫来石陶瓷吸波材料及其制备方法 |
CN116462525A (zh) * | 2023-06-19 | 2023-07-21 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种连续碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料及其制备方法 |
CN116462525B (zh) * | 2023-06-19 | 2023-09-05 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种连续碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料及其制备方法 |
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