CN114086090A - 一种基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及金属基复合材料技术领域，具体涉及一种基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料及其制备方法和应用。本发明先在表面具有碳涂层的连续SiC纤维表面沉积过渡金属层，有效提高了表面具有碳涂层的连续SiC纤维与后续沉积的金属氮化物层的结合性能，有效释放残余应力，提高了表面具有碳涂层的连续SiC纤维与纳米多层复合难熔金属层的界面结合强度。采用至少两种材质的难容金属单质靶材制备纳米多层纳米多层复合难熔金属层，与采用难容合金靶材相比，显著降低了后续热等静压成型的温度，能够抑制界面反应和纤维退化，还极大丰富了难熔合金基体组元的可选择种类，能够适应不同应用环境对复合材料性能的需求且成本低。

Description

一种基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合 材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及金属基复合材料技术领域，具体涉及一种基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着航空航天技术的发展，服役环境日益苛刻，为了满足极端苛刻服役环境的需求，航空航天飞行器对金属基复合材料的耐温等级提出了更高的要求—在宽温域下具有优异的力学性能。连续SiC纤维增强钛基复合材料兼具了增强体的高强度和优良的抗蠕变性能及钛合金基体的高损伤容限和可加工性，使得该复合材料不仅大幅提升了金属基体的力学强度、抗蠕变和耐疲劳能力，还有效提升了金属基体的服役温度。然而，受钛合金基体服役温度的限制，SiC纤维增强钛基复合材料仅在750℃以下能长时服役，在1000℃以下能短时使用。在SiC纤维增强金属基复合材料表面复合具有更高服役温度的难熔合金能够提高其服役温度。
采用纤维涂覆法制备SiC纤维增强金属基复合材料能保证增强体纤维均匀分散而获得最优异的力学性能，是当前国内首选的制备方法。其中，增强纤维表面涂覆厚的难熔合金涂层在高温成型过程中成为复合材料的难熔合金基体，该工艺不仅决定了复合材料的性能，同时占到了复合材料的生产成本的一半以上。例如，中国专利CN113481479A公开了一种SiC纤维增强难熔合金复合材料的制备方法，在带有C涂层的连续SiC纤维表面磁控溅射金属层，在所述金属层表面磁控溅射金属氮化物层，采用难熔金属为靶材，在所述多层扩散障涂层表面磁控溅射，得到SiC纤维增强难熔合金复合材料。然而，上述制备方法采用难熔合金靶溅射沉积难熔合金涂层，但由于难熔合金的高温屈服强度，致使过高的成型温度，导致剧烈的界面反应以及SiC纤维增强体的性能退化。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料及其制备方法和应用，本发明提供的制备方法能够降低复合材料的热成型温度，抑制界面反应和纤维退化。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用过渡金属靶材，在惰性气体下在表面具有碳涂层的连续SiC纤维表面进行第一磁控溅射形成过渡金属层；
(2)采用过渡金属靶材，在氮气-惰性混合气体下，在所述过渡金属层表面进行第二磁控溅射形成过渡金属氮化物层，得到扩散障单元；
(3)在所述扩散障单元表面重复过渡金属层和过渡金属氮化物层的制备操作，得到扩散障涂层；所述重复的次数≥0次；
(4)在惰性气体下，采用不同材质的难熔金属单质靶材，在所述扩散障涂层表面进行磁控共溅射，在所述扩散障涂层表面形成纳米多层复合难熔金属层，得到SiC纤维前驱体；所述难熔金属单质靶材的个数≥2；
(5)将所述SiC纤维前驱体进行热等静压成型，得到基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料。
优选的，步骤(1)中，所述第一磁控溅射的工作参数包括：所述惰性气体的通入量为50～80sccm；工作压强为0.2～2Pa；溅射偏压为-50～-200V；电流为1～3A。
优选的，步骤(2)中，所述第二磁控溅射的工作参数包括：所述氮气-惰性混合气体中氮气和惰性气体的通入量之比为50～80：5～40，惰性气体的通入量为50～80sccm；工作压强为0.2～2Pa；溅射偏压为-50～-200V；电流为1～3A。
优选的，所述扩散障单元的个数为1～5个；
所述过渡金属层的厚度独立地为400～600nm；
所述过渡金属氮化物层的厚度独立地为400～600nm。
优选的，步骤(4)中，所述所述磁控共溅射的工作参数包括：惰性气体的通入量为50～80sccm；工作压强为0.2～2Pa；溅射偏压为-50～-200V；电流为0.1～3A。
优选的，步骤(5)中，所述热等静压成型的压力为50～300MPa，温度为1100～1500℃，保温保压时间为120～360min。
优选的，所述难熔金属单质靶材材质包括Nb、Ta、W、Mo或V。
优选的，所述难熔金属单质亚层的厚度独立地为5～100nm；
所述纳米多层复合难熔金属层的厚度为10～50μm。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法得到的基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料，包括表面具有碳涂层的连续SiC纤维，位于所述具有碳涂层的SiC纤维表面的扩散障涂层，和位于所述扩散障涂层表面的纳米多层复合难熔金属层；
所述扩散障涂层包括若干个层叠设置的扩散障单元，所述扩散障单元包括过渡金属层和位于所述过渡金属层表面的过渡金属氮化物层；所述过渡金属层与所述表面具有碳涂层的连续SiC纤维接触；
所述纳米多层复合难熔金属层包括若干个层叠设置的调制单元；所述调制单元包括层叠设置的至少两层难熔金属单质亚层，每层难熔金属单质亚层的材质不同。
本发明提供了上述技术方案所述的基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料在耐高温材料中的应用。
本发明提供了一种基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)采用过渡金属靶材，在惰性气体下在表面具有碳涂层的连续SiC纤维表面进行第一磁控溅射形成过渡金属层；(2)采用过渡金属靶材，在氮气-惰性混合气体下，在所述过渡金属层表面进行第二磁控溅射形成过渡金属氮化物层，得到扩散障单元；(3)在所述扩散障单元表面重复过渡金属层和过渡金属氮化物层的制备操作，得到扩散障涂层；所述重复的次数≥0次；(4)在惰性气体下，采用不同材质的难熔金属单质靶材，在所述扩散障涂层表面进行磁控共溅射，在所述扩散障涂层表面形成纳米多层复合难熔金属层，得到SiC纤维前驱体；所述难熔金属单质靶材的个数≥2；(5)将所述SiC纤维前驱体进行热等静压成型，得到基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料。本发明提供的制备方法，先在表面具有碳涂层的连续SiC纤维表面沉积过渡金属层，有效提高了表面具有碳涂层的连续SiC纤维与后续沉积的金属氮化物层的结合性能，有效释放残余应力，提高了表面具有碳涂层的连续SiC纤维与纳米多层复合难熔金属层的界面结合强度。以两种以上的难熔金属单质靶材代替传统的难熔合金靶材，制备得到两种以上不同材质的难熔金属单质亚层交替层叠构成的纳米多层复合难熔金属层，在后续的热等静压成型过程中，难熔金属单质通过扩散形成期望组元组成的难熔合金基体，大幅降低了热等静压成型的温度，并且极大丰富了复合材料难熔合金基体组元的可选择种类，以适应不同应用环境对复合材料性能的需求。而且，难熔合金靶材制造难度大且价格昂贵，本发明以两种以上的难熔金属单质靶材代替难熔合金靶材，大大降低了复合材料得生产成本，能够实现工业化生产。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法得到的基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料，包括表面具有碳涂层的连续SiC纤维，位于所述具有碳涂层的SiC纤维表面的扩散障涂层，和位于所述扩散障涂层表面的纳米多层复合难熔金属层；所述扩散障涂层包括若干个层叠设置的扩散障单元，所述扩散障单元包括过渡金属层和位于所述过渡金属层表面的过渡金属氮化物层；所述过渡金属层与所述表面具有碳涂层的连续SiC纤维接触；所述纳米多层复合难熔金属层包括若干个层叠设置的调制单元；所述调制单元包括层叠设置的至少两层难熔金属单质亚层，每层难熔金属单质亚层的材质不同。本发明在表面具有碳涂层的连续SiC纤维表面设置过渡金属层，有效提高了表面具有碳涂层的连续SiC纤维与金属氮化物层的结合性能，有效释放残余应力，提高了表面具有碳涂层的连续SiC纤维、过渡金属层和过渡金属氮化物层之间的界面结合强度；而且，扩散障涂层能够抑制界面反应。与传统的难熔金属合金层相比，本发明的复合材料的纳米多层复合难熔金属层由两种以上不同材质的难熔金属单质亚层交替层叠构成，极大丰富了复合材料的难熔金属基体组元的可选种类，能够实现难熔金属基体组元的精确可调，从而适应不同应用环境对复合材料性能的需求。
附图说明
图1为制备基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料采用的多磁控溅射设备示意图；
图2为基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料的制备流程图；
图3为实施例1制备的SiC纤维前驱体的SEM图，其中，a标尺为25μm，b标尺为10μm，c标尺为500nm；
图4为实施例2制备的SiC纤维前驱体的SEM图，其中，a标尺为25μm，b标尺为10μm，c标尺为500nm；
图5为对比例1制备的SiC纤维前驱体的SEM图，其中，a标尺为25μm，b标尺为5μm；
图6为实施例1制备的基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料的截面SEM图，标尺为100μm。
具体实施方式
本发明提供了上述技术方案所述基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用过渡金属靶材，在惰性气体下在表面具有碳涂层的连续SiC纤维表面进行第一磁控溅射形成过渡金属层；
(2)采用过渡金属靶材，在氮气-惰性混合气体下，在所述过渡金属层表面进行第二磁控溅射形成过渡金属氮化物层，得到扩散障单元；
(3)在所述扩散障单元表面重复过渡金属层和过渡金属氮化物层的制备操作，得到扩散障涂层；所述重复的次数≥0次；
(4)在惰性气体下，采用不同材质的难熔金属单质靶材，在所述扩散障涂层表面进行磁控共溅射，在所述扩散障涂层表面形成纳米多层复合难熔金属层，得到SiC纤维前驱体；所述难熔金属单质靶材的个数≥2；
(5)将所述SiC纤维前驱体进行热等静压成型，得到基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料。
在本发明中，若无特殊说明，所有的原料组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明采用过渡金属靶材，在惰性气体下在表面具有碳涂层的连续SiC纤维表面进行第一磁控溅射形成过渡金属层。
本发明对于所述表面具有碳涂层的连续SiC纤维的来源没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的制备方法制备即可。在本发明中，所述表面具有碳涂层的SiC连续纤维的直径优选为80～120μm，更优选为90～100μm；所述表面具有碳涂层的连续SiC纤维的碳层的厚度优选为1～5μm，更优选为2～4μm；所述碳层包裹在单根SiC连续纤维的外表面。
在本发明中，所述表面具有碳涂层的连续SiC纤维在使用前优选进行清洗，所述清洗的方式优选为反溅射清洗，所述反溅射清洗的工作参数优选包括：背底真空度(即进行反溅射清洗前抽真空的真空度)优选<8×10-4Pa；反溅射清洗的压强优选为0.1～1Pa，更优选为0.5～0.6Pa；本发明对于反溅射清洗采用的离子源种类没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的离子源即可；偏压优选>-500V；电流优选为0.1～0.5A，更优选为0.2～0.4A；时间优选为10～30min，更优选为20min。
在本发明中，所述过渡金属靶材的材质优选包括Ti或Cr。
在本发明中，所述过渡金属层的厚度独立地优选为400～600nm，更优选为450～550nm；所述过渡金属层的材质优选包括Ti或Cr。
在本发明中，所述第一磁控溅射的工作参数优选包括：所述惰性气体的通入量优选为50～80sccm，更优选为60～70sccm；本发明对于所述惰性气体没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的惰性气体即可，具体如氩气；工作压强优选为0.2～2Pa，更优选为0.5～1.5Pa，进一步优选为1～1.2Pa；溅射偏压优选为-50～-200V，更优选-75～-150V，进一步优选为-100～-125V；电流优选为1～3A，更优选为1.5～2.5A，进一步优选为2A；本发明对于所述第一磁控溅射的时间没有特殊限定，磁控溅射至所得过渡金属层的厚度符合上述要求即可，具体如400～600nm。本发明先在表面具有碳涂层的连续SiC纤维表面沉积过渡金属层，有效提高了表面具有碳涂层的连续SiC纤维与后续沉积的金属氮化物层的结合性能，有效释放残余应力，提高了表面具有碳涂层的连续SiC纤维、过渡金属层和过渡金属氮化物层之间的界面结合强度。
得到过渡金属层后，本发明采用过渡金属靶材，在氮气-惰性混合气体下，在所述过渡金属层表面进行第二磁控溅射形成金属氮化物层，得到扩散障单元。
在本发明中，所述过渡金属靶材的材质优选包括Ti或Cr。
在本发明中，所述过渡金属氮化物层的厚度独立地优选为400～600nm，更优选为450～550nm；所述过渡金属氮化物层的材质优选包括Ti或Cr。
在本发明中，所述第二磁控溅射的工作参数优选包括：所述氮气-惰性混合气体中，氮气和惰性气体的通入量之比优选为50～80：5～40，更优选为55～75：10～35，进一步优选为60～70：20～30；本发明对于所述惰性气体没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的惰性气体即可，具体如氩气；所述惰性气体的通入量优选为50～80sccm，更优选为60～70sccm；所述第二磁控溅射的工作压强优选为0.2～2Pa，更优选为0.5～1.5Pa，进一步优选为0.7～1.3Pa；所述第二磁控溅射的溅射偏压优选为-50～-200V，更优选为-75～-150V，进一步优选为-100～-125V；电流优选为1～3A，更优选为1.5～2.5A，进一步优选为2A；本发明对于所述第二磁控溅射的时间没有特殊限定，磁控溅射至所得过渡金属氮化物层的厚度符合上述要求即可，具体如400～600nm。本发明在过渡金属层表面沉积过渡金属氮化物层，将难熔合金以及金属基体之间，抑制了界面扩散反应的发生。
得到扩散障单元后，本发明在所述扩散障单元表面重复过渡金属层和过渡金属氮化物层的制备操作，得到扩散障涂层。在本发明中，所述重复的次数≥0次，优选为1～4次，更优选为2～3次。
得到扩散障涂层后，本发明在惰性气体下，采用不同材质的难熔金属单质靶材，在所述扩散障涂层表面进行磁控共溅射，在所述扩散障涂层表面形成纳米多层复合难熔金属层，得到SiC纤维前驱体；所述难熔金属单质靶材的个数≥2。
在本发明中，所述难熔金属单质靶材的材质优选包括Nb、Mo、Ta、W或V。
在本发明中，所述难熔金属单质亚层的厚度独立地优选为5～100nm。在本发明中，所述纳米多层复合难熔金属层的厚度优选为10～50μm，更优选为15～45μm，进一步优选为20～40μm；所述纳米多层复合难熔金属层的材质≥2种，更优选为2～5种，进一步优选为3～4种。
在本发明中，所述磁控共溅射的工作参数优选包括：所述惰性气体的通入量优选为50～80sccm，更优选为60～70sccm，本发明对于所述惰性气体没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的惰性气体即可，具体如氩气；工作压强优选为0.2～2Pa，更优选为0.5～1.5Pa，进一步优选为0.7～1.3Pa；溅射偏压优选为-50～-200V，更优选为-75～-150V，进一步优选为-100～-125V；电流优选为0.1～3A；本发明对于所述磁控共溅射的时间没有特殊限定，磁控共溅射至纳米多层复合难熔金属层的厚度为10～50μm即可。
在本发明中，所述第一磁控溅射、第二磁控溅射和磁控共溅射采用的磁控溅射设备优选为多靶磁控溅射设备，本发明优选将不同难熔金属单质靶材和过渡族金属靶材分别放置在多靶磁控溅射设备中，将表面具有碳涂层的连续SiC纤维固定到矩形样品架上，然后置于多靶磁控溅射设备的样品室中依次进行第一磁控溅射、第二磁控溅射和磁控共溅射；所述表面具有碳涂层的连续SiC纤维的纤维间距优选为0.2～1mm；所述磁控共溅射完成后，本发明优选还包括降温处理，在所述扩散障涂层表面形成纳米多层复合难熔金属层，得到SiC纤维前驱体。在本发明中，所述降温处理优选在保护气氛下进行，所述保护气氛优选为惰性气体；本发明对于所述惰性气体没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的惰性气体即可，具体如氩气；所述降温处理的压力优选为1～10Pa；所述降温处理后的温度优选≤50℃。
得到SiC纤维前驱体后，本发明将所述SiC纤维前驱体进行热等静压成型，得到基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料。
在本发明中，所述热等静压成型的压力优选为50～300MPa，更优选为100～250MPa，进一步优选为150～200MPa；所述热等静压成型的温度优选为1100～1500℃，更优选为1200～1400℃；所述热等静压成型的保温保压时间优选为120～360min，更优选为150～330min，进一步优选为180～300min。在本发明中，所述热等静压成型优选在等静压设备中进行，优选将SiC纤维前驱体置于难熔合金套筒中进行热等静压成型；所述难熔合金套筒的材质优选与所述纳米多层复合难熔金属层中不同难熔金属的比例相同。
本发明以多组元交替的金属单质亚层作为单个调制单元，将若干个调制单元叠加，通过热等静压使调制单元中不同得难熔金属单质亚层互相扩散，形成难熔合金层(基体)，能够保证复合材料的整体耐高温性能，也可调整难熔合金基体组元组成，并且降低复合材料的成型温度，提供了一种新型的基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料的制备工艺。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法得到的基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料，包括表面具有碳涂层的连续SiC纤维，位于所述具有碳涂层的SiC纤维表面的扩散障涂层，和位于所述扩散障涂层表面的纳米多层复合难熔金属层；
所述扩散障涂层包括若干个层叠设置的扩散障单元，所述扩散障单元包括过渡金属层和位于所述过渡金属层表面的过渡金属氮化物层；所述过渡金属层与所述表面具有碳涂层的连续SiC纤维接触；
所述纳米多层复合难熔金属层包括若干个层叠设置的调制单元；所述调制单元包括层叠设置的至少两层难熔金属单质亚层，每层难熔金属单质亚层的材质不同。
在本发明中，所述扩散障涂层包括若干个层叠设置的扩散障单元，所述扩散障单元的个数优选为1～5个，更优选为2～4个，进一步优选为3个。在本发明中，所述扩散障单元包括过渡金属层和位于所述过渡金属层表面的过渡金属氮化物层；所述过渡金属层的厚度独立地优选为400～600nm，更优选为450～550nm；所述过渡金属氮化物层的厚度独立地优选为400～600nm，更优选为450～550nm；所述过渡金属层和过渡金属氮化物层中的过渡金属优选包括Ti或Cr。
在本发明中，所述纳米多层复合难熔金属层包括若干个层叠设置的调制单元；所述调制单元包括层叠设置的至少两层难熔金属单质亚层，每层难熔金属单质亚层的材质不同。在本发明中，所述难熔金属单质亚层的材质独立地优选包括Nb、Mo、Ta、W或V；所述难熔金属单质亚层的厚度独立地优选为5～100nm，更优选为20～80nm在本发明中，所述纳米多层复合难熔金属层的厚度优选为10～50μm，更优选为15～45μm，进一步优选为20～40μm；所述纳米多层复合难熔金属层的材质≥2种，更优选为2～5种。在本发明中，所述调制单元的个数优选为50～5000，更优选为200～3000。
本发明还提供了上述技术方案所述的基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料或上述技术方案所述制备方法得到的基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料在耐高温材料中的应用。在本发明中，所述基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料优选作为航空航天结构件应用。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)按照图1所示的多磁控溅射设备和图2所示的制备流程制备基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料，具体步骤如下：
将表面具有碳涂层的连续SiC纤维固定到矩形样品架上，单根纤维间距保持0.2mm，放入到多靶磁控溅射设备的样品室；将Ti靶材、Nb难熔靶材和W难熔靶材分别放置在多靶磁控溅射设备中，保持每个靶材距离样品的间距为10cm。
(2)将多磁控溅射设备抽真空至背底真空低于8×10-4Pa，样品的转速为50r/h，通入氩气，在压强为0.1Pa、电流为0.5A、偏压大于-500V的条件下对表面具有碳涂层的连续SiC纤维溅射清洗20min。
(3)在氩气气体下，在表面具有碳涂层的连续SiC纤维表面进行第一磁控溅射，在表面具有碳涂层的连续SiC纤维形成Ti层(厚度为500nm)；第一磁控溅射的工作参数：氩气通入量为60sccm，结合闸板阀工作压强为0.8Pa，偏压为-100V，电流为2A，沉积时间30min。
(4)在氮气-氩气混合气体下，在Ti层表面第二磁控溅射形成TiN层(，厚度为500nm)，得到Ti/TiN扩散障单元；第二磁控溅射的工作参数：氩气通入量为60sccm，氮气：氩气通入量之比＝30:60，结合闸板阀工作压强为0.8Pa，电流为2A，沉积时间60min。
(5)在Ti/TiN扩散障单元表面重复步骤(3)～(4)操作2次，在表面具有碳涂层的连续SiC纤维表面得到Ti/TiN扩散障涂层；Ti/TiN扩散障涂层包括3个周期的Ti/TiN扩散障单元，Ti/TiN扩散障涂层的厚度为3μm。
(6)抽真空，在氩气气体下，在Ti/TiN扩散障涂层表面磁控共溅射，在所述Ti/TiN扩散障涂层表面形成复合Nb/W难熔金属层，得到SiC纤维前驱体；磁控共溅射的工作参数：氩气的通入量为60sccm，结合闸板阀工作压强为0.8Pa；难熔金属Nb的沉积电流为2A，难熔金属W的沉积电流为2A，总沉积时间为300min；复合Nb/W难熔金属层的调制单元包括难熔金属Nb亚层和位于所述难熔金属Nb亚层表面的难熔金属W亚层，纳米多层复合Nb/W难熔金属层的厚度为24μm。
(7)将SiC纤维前驱体封装进难熔合金套筒中，使用热等静压设备，在1200℃、150MPa条件下等静压成型120min，得到基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料。
实施例2
按照实施例1的方法制备基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料，与实施例1的不同之处在于：
步骤(6)中难熔金属W的沉积电流为1.5A，沉积时间为320min，复合Nb/W难熔金属层的厚度为24μm。
实施例3
按照实施例1的方法制备基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料，与实施例1的不同之处在于：
步骤(6)中难熔金属W的沉积电流为1A，沉积时间为360min，复合Nb/W难熔金属层的厚度为24μm。
实施例4
按照实施例1的方法制备基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料，与实施例1的不同之处在于：
步骤(6)中难熔金属W的沉积电流为0.5A，沉积时间为480min，复合Nb/W难熔金属层的厚度为24μm。
实施例5
按照实施例1的方法制备基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料，与实施例1的不同之处在于：
步骤(6)中难熔金属W的沉积电流为0.1A，沉积时间为540min，复合Nb/W难熔金属层的厚度为24μm。
实施例6
按照实施例1的方法制备基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料，与实施例1的不同之处在于：
步骤(1)中将Nb难熔靶材替换为Ta难熔靶材；
步骤(6)中形成复合Ta/W难熔金属层；
步骤(7)中热等静压成型的温度为1300℃。
实施例7
按照实施例1的方法制备基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料，与实施例1的不同之处在于：
步骤(1)中将Nb难熔靶材替换为Ta难熔靶材；
步骤(6)中难熔金属W的沉积电流为1A，沉积时间为360min，复合Ta/W难熔金属层的厚度为24μm；
步骤(7)中热等静压成型的温度为1300℃。
实施例8
按照实施例1的方法制备基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料，与实施例1的不同之处在于：
步骤(1)中将Nb难熔靶材替换为Ta难熔靶材；
步骤(6)中难熔金属W的沉积电流为0.1A，沉积时间为540min，复合Ta/W难熔金属层的厚度为24μm。
步骤(7)中热等静压成型的温度为1300℃。
对比例1
与实施例1的不同之处仅在于：
步骤(1)中将Nb难熔靶材和W难熔靶材替换为NbW难熔合金靶材(Nb：W原子比＝1:1)；
步骤(5)中重复步骤(3)～(4)操作1次，得到Ti/TiN扩散障涂层包括2个周期的Ti/TiN扩散障单元，Ti/TiN扩散障涂层的厚度为2μm；
步骤(6)中NbW难熔合金的沉积时间为300min，得到NbW难熔合金层，厚度为24μm；
步骤(7)中热等静压成型的温度为1400℃，得到连续SiC纤维增强难熔合金基复合材料。
对比例2
与实施例1的不同之处仅在于：
步骤(1)中将Nb难熔靶材和W难熔靶材替换为TaW难熔合金靶材(Ta：W质量比＝1:1)；
步骤(5)中重复步骤(3)～(4)操作1次，得到Ti/TiN扩散障涂层包括2个周期的Ti/TiN扩散障单元，Ti/TiN扩散障涂层的厚度为2μm；
步骤(6)中TaW难熔合金的沉积率为80nm/min，沉积时间为300min，得到TaW难熔合金层，厚度为24μm；
步骤(7)中热等静压成型的温度为1400℃，得到连续SiC纤维增强难熔合金基复合材料。
图3为实施例1制备的SiC纤维前驱体的SEM图，其中，a标尺为25μm，b标尺为10μm，c标尺为500nm；由图3可知，本发明制备的SiC纤维前驱体沉积良好，可以明显观察到纳米多层复合Nb/W难熔金属层由多层难熔金属单质亚层组成。
图4为实施例2制备的SiC纤维前驱体的SEM图，其中，a标尺为25μm，b标尺为10μm，c标尺为500nm；由图4可知，可以明显观察到本发明制备的SiC纤维前驱体中的纳米多层复合Nb/W难熔金属层由多层难熔金属单质层组成。
图5为对比例1制备的SiC纤维前驱体的SEM图，其中，a标尺为25μm，b标尺为5μm；由图5可知，NbW难熔合金层不存在多层结构。
图6为实施例1制备的基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料的截面SEM图，标尺为100μm；由图6可知，本发明制备的基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料中难熔金属层扩散良好，复合材料闭合良好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用过渡金属靶材，在惰性气体下在表面具有碳涂层的连续SiC纤维表面进行第一磁控溅射形成过渡金属层；
(2)采用过渡金属靶材，在氮气-惰性混合气体下，在所述过渡金属层表面进行第二磁控溅射形成过渡金属氮化物层，得到扩散障单元；
(3)在所述扩散障单元表面重复过渡金属层和过渡金属氮化物层的制备操作，得到扩散障涂层；所述重复的次数≥0次；
(4)在惰性气体下，采用不同材质的难熔金属单质靶材，在所述扩散障涂层表面进行磁控共溅射，在所述扩散障涂层表面形成纳米多层复合难熔金属层，得到SiC纤维前驱体；所述难熔金属单质靶材的个数≥2；
(5)将所述SiC纤维前驱体进行热等静压成型，得到基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述第一磁控溅射的工作参数包括：所述惰性气体的通入量为50～80sccm；工作压强为0.2～2Pa；溅射偏压为-50～-200V；电流为1～3A。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述第二磁控溅射的工作参数包括：所述氮气-惰性混合气体中氮气和惰性气体的通入量之比为50～80：5～40，惰性气体的通入量为50～80sccm；工作压强为0.2～2Pa；溅射偏压为-50～-200V；电流为1～3A。
4.根据权利要求1、2或3所述的制备方法，其特征在于，所述扩散障单元的个数为1～5个；
所述过渡金属层的厚度独立地为400～600nm；
所述过渡金属氮化物层的厚度独立地为400～600nm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述所述磁控共溅射的工作参数包括：惰性气体的通入量为50～80sccm；工作压强为0.2～2Pa；溅射偏压为-50～-200V；电流为0.1～3A。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述热等静压成型的压力为50～300MPa，温度为1100～1500℃，保温保压时间为120～360min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述难熔金属单质靶材材质包括Nb、Ta、W、Mo或V。
8.根据权利要求1、6或7所述的制备方法，其特征在于，所述难熔金属单质亚层的厚度独立地为5～100nm；
所述纳米多层复合难熔金属层的厚度为10～50μm。
9.权利要求1～8任一项所述制备方法得到的基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料，包括表面具有碳涂层的连续SiC纤维，位于所述具有碳涂层的SiC纤维表面的扩散障涂层，和位于所述扩散障涂层表面的纳米多层复合难熔金属层；
所述扩散障涂层包括若干个层叠设置的扩散障单元，所述扩散障单元包括过渡金属层和位于所述过渡金属层表面的过渡金属氮化物层；所述过渡金属层与所述表面具有碳涂层的连续SiC纤维接触；
所述纳米多层复合难熔金属层包括若干个层叠设置的调制单元；所述调制单元包括层叠设置的至少两层难熔金属单质亚层，每层难熔金属单质亚层的材质不同。
10.权利要求9所述的基于纳米多层结构的连续SiC纤维增强难熔金属基复合材料在耐高温材料中的应用。
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