CN115028457B - 一种含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维及其制备方法、应用 - Google Patents

一种含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维及其制备方法、应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维及其制备方法、应用，该方法基于SiBN原纤维的元素组成特点，以原位形成抗高温氧化的Si2N2O微晶涂层为目的，首先利用高温氧化和沸水浸渍等处理方式，在SiBN原纤维表面引入氧元素，然后利用SiBN原纤维固有硼元素的高温烧结作用，在高温惰性条件下将纤维表层含氧组分转化为Si2N2O微晶，获得含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维。原位形成Si2N2O微晶原位涂层后，SiBN纤维的力学强度变化不大，但抗高温氧化性能有显著提升，特别适合增强极端氧化环境使用的高速飞行器天线罩。

Description

一种含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维及其制备方法、应用
技术领域
本发明涉及陶瓷纤维技术领域，尤其是一种含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维及其制备方法、应用。
背景技术
SiBN纤维具有优异的耐高温性能、抗高温氧化性能和极低的介电损耗，是目前最具发展前景的高温透波陶瓷纤维之一。现阶段，SiBN纤维在惰性气氛的使用温度可达1600℃以上，基本能够满足现有高速飞行器的使用需求。但是，SiBN纤维的抗高温氧化性能不够理想，在1300℃以上就开始被空气明显氧化， 1400℃空气氧化处理后力学强度显著下降。而在通常情况下， SiBN纤维的服役环境主要为极端的氧化气氛，因此抗高温氧化性能对纤维的实际应用更为重要。
发明内容
本发明提供一种含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维及其制备方法、应用，用于克服现有技术中耐高温性能不足等缺陷。
为实现上述目的，本发明提出一种含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN 纤维的制备方法，包括以下步骤：
S1：选取SiBN原纤维，对所述SiBN原纤维进行氧化处理或者沸水浸渍处理以在SiBN原纤维表面形成氧化层；
S2：在惰性气氛下，对经过步骤S1的SiBN原纤维进行热处理，以诱导硼元素从SiBN原纤维内部迁移至氧化层，促进氧化层组分转变为Si2N2O微晶，得到含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维。
为实现上述目的，本发明还提出一种含Si2N2O微晶原位涂层的 SiBN纤维，由上述所述制备方法制备得到；所述SiBN纤维的表面包覆一层Si2N2O微晶原位涂层，所述Si2N2O微晶原位涂层的厚度为 100～300nm。
为实现上述目的，本发明还提出一种含Si2N2O微晶原位涂层的 SiBN纤维的应用，将上述所述制备方法制备得到的SiBN纤维或者上述所述SiBN纤维应用于高速飞行器中。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
本发明提供的含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维的制备方法基于SiBN原纤维的元素组成特点，以原位形成抗高温氧化的Si2N2O 微晶涂层为目的，首先利用高温氧化和沸水浸渍等处理方式，在SiBN原纤维表面引入氧元素，然后利用SiBN原纤维固有硼元素的高温烧结作用，在高温惰性条件下将纤维表层含氧组分转化为 Si2N2O微晶，获得含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维。原位形成Si2N2O 微晶原位涂层后，SiBN纤维的力学强度变化不大，但抗高温氧化性能有显著提升，特别适合增强极端氧化环境使用的高速飞行器天线罩。此外，本发明的制备方法操作简单、易于实现，且形成的Si2N2O微晶原位涂层能够显著提高SiBN原纤维的抗高温氧化性能。
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示出的结构获得其他的附图。
图1为实施例1制备的含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维XPS谱图的Si2p分峰拟合曲线；
图2为实施例1制备的含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维SEM图片；
图3为对照例1制备的SiBN纤维SEM图片。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，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作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。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。
本发明提出一种含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维的制备方法，包括以下步骤：
S1：选取SiBN原纤维，对所述SiBN原纤维进行氧化处理或者沸水浸渍处理以在SiBN原纤维表面形成氧化层；
S2：在惰性气氛下，对经过步骤S1的SiBN原纤维进行热处理，以诱导硼元素从SiBN原纤维内部迁移至氧化层，促进氧化层组分转变为Si2N2O微晶，得到含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维。
基于SiBN纤维的元素组成特征，可将SiBN原纤维表面进行部分氧化处理引入一定含量的氧元素，然后在高温处理下，利用纤维本身含有的硼元素作为烧结助剂，促进纤维表面的硅、氮和氧等组分原位形成微晶态Si2N2O涂层。Si2N2O微晶首次发现于陨石中，其高温性能非常突出，在惰性气氛的分解温度高达1900℃，空气气氛使用温度可达1500℃以上。因此，Si2N2O微晶原位涂层能够有效阻挡空气对SiBN纤维的高温氧化侵蚀作用，显著提高SiBN纤维的抗高温氧化性能。
优选地，在步骤S1中，所述SiBN原纤维为细直径连续陶瓷纤维，直径为10～15μm，组成元素包括Si、B和N。太粗柔顺性较差，不容易编织；太细承力较小，也不好编织。
优选地，在步骤S1中，所述氧化处理具体为：
在空气气氛中，将SiBN原纤维置于1000～1200℃下保温 1～10h。空气处理工艺经济性好，控制温度有利于控制最终制备的涂层厚度。
优选地，在步骤S1中，所述沸水浸渍处理具体为：
将经过氧化处理的SiBN原纤维在沸腾的去离子水中浸渍 1～20h。沸水易使SiBN纤维表面水解，低温水使纤维的水解速率太低，不经济。
优选地，在步骤S1中，所述氧化层的厚度为100～300nm。氧化层厚度由步骤S1决定，高温处理则是将氧化层转化为Si2N2O组分。
优选地，在步骤S2中，所述热处理的温度为1500～1700℃，时间为1～10h。1500℃为将氧化层转化为Si2N2O组分的最低温度，但Si2N2O在1700℃以上会分解，因此最高温度不超过1700℃。
优选地，在步骤S2中，所述惰性气氛为氮气或者氩气。为了尽量保持纤维的力学强度，选择惰性气氛。
本发明还提出一种含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维，由上述所述制备方法制备得到；所述SiBN纤维的表面包覆一层Si2N2O微晶原位涂层，所述Si2N2O微晶原位涂层的厚度为100～300nm。Si2N2O 微晶原位涂层的厚度可控，通过氧化温度和时间，也可能通过沸水处理时间控制。
为实现上述目的，本发明还提出一种含Si2N2O微晶原位涂层的 SiBN纤维的应用，将上述所述制备方法制备得到的SiBN纤维或者上述所述SiBN纤维应用于高速飞行器中。
实施例1
本实施例提供一种含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将50束左右的SiBN原纤维(约5g)置于1000℃的马弗炉中，保温10h，使纤维表面氧化，形成含有氧化层的SiBN 纤维；
(2)将上述纤维置于真空裂解石墨炉中，抽真空，用氮气置换2次，然后在流动的氮气气氛中，以5℃/min的升温速率程序升温至1500℃，保温10h；
(3)将上述高温处理后的纤维随炉冷却，获得含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维。Si2N2O微晶原位涂层厚度约为150nm，单丝拉伸强度为1.3GPa，1300℃空气氧化1h后拉伸强度保留率为82％。
图1为本实施例制备的含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维XPS谱图的Si2p分峰拟合曲线；由图可知，纤维表面的含硅组分主要为Si2N2O 微晶，且含有少量的SiO2组分。
图2为本实施例制备的含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维SEM图片；由图可知，纤维表面存在有长条状的Si2N2O微晶颗粒。
实施例2
本实施例提供一种含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将50束左右的SiBN原纤维(约5g)置于1200℃的马弗炉中，保温1h，使纤维表面氧化，形成含有氧化层的SiBN 纤维；
(2)将上述纤维置于真空裂解石墨炉中，抽真空，用氮气置换2次，然后在流动的氮气气氛中，以5℃/min的升温速率程序升温至1550℃，保温5h；
(3)将上述高温处理后的纤维随炉冷却，获得含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维。Si2N2O微晶原位涂层厚度约为200nm，单丝拉伸强度为1.4GPa，1300℃空气氧化1h后拉伸强度保留率为85％。
实施例3
本实施例提供一种含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将50束左右的SiBN原纤维(约5g)置于1300℃的马弗炉中，保温1h，使纤维表面氧化，形成含有氧化层的SiBN 纤维；
(2)将上述纤维置于真空裂解石墨炉中，抽真空，用氮气置换2次，然后在流动的氮气气氛中，以5℃/min的升温速率程序升温至1600℃，保温1h；
(3)将上述高温处理后的纤维随炉冷却，获得含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维。Si2N2O微晶原位涂层厚度约为300nm，单丝拉伸强度为0.8GPa，1300℃空气氧化1h后拉伸强度保留率为89％。
实施例4
本实施例提供一种含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将50束左右的SiBN原纤维(约5g)置于沸腾的去离子水中(水温100℃)，保温10h，使纤维表面水解引入氧元素，形成具有含氧表层的SiBN纤维；
(2)将上述纤维置于真空裂解石墨炉中，抽真空，用氮气置换2次，然后在流动的氮气气氛中，以5℃/min的升温速率程序升温至1500℃，保温8h；
(3)将上述高温处理后的纤维随炉冷却，获得含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维。Si2N2O微晶原位涂层厚度约为250nm，单丝拉伸强度为1.2GPa，1300℃空气氧化1h后拉伸强度保留率为81％。
实施例5
本实施例提供一种含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将50束左右的SiBN原纤维(约5g)置于沸腾的去离子水中(水温100℃)，保温5h，使纤维表面水解引入氧元素，形成具有含氧表层的SiBN纤维；
(2)将上述纤维置于真空裂解石墨炉中，抽真空，用氮气置换2次，然后在流动的氮气气氛中，以5℃/min的升温速率程序升温至1600℃，保温1h；
(3)将上述高温处理后的纤维随炉冷却，获得含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维。Si2N2O微晶原位涂层厚度约为150nm，单丝拉伸强度为1.4GPa，1300℃空气氧化1h后拉伸强度保留率为87％。
对比例1
本实施例提供一种SiBN纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将50束左右的SiBN原纤维(约5g)置于真空裂解石墨炉中，抽真空，用氮气置换2次，然后在流动的氮气气氛中，以5℃/min的升温速率程序升温至1600℃，保温1h；
(2)将上述高温处理后的纤维随炉冷却，获得SiBN纤维。单丝拉伸强度为1.4GPa，1300℃空气氧化1h后拉伸强度保留率为51％。
图3为本对比例制备的SiBN纤维SEM图片，由图可知，纤维表面光滑，未观察到Si2N2O微晶颗粒。
表1为实施例1～5及对照例1所得SiBN纤维性能参数，由表可知，SiBN纤维表面形成Si2N2O微晶后，经1300℃空气氧化 1h后的力学强度保留率均大于80％，而未形成涂层的对照例经相同条件处理后只有51％，说明Si2N2O微晶涂层显著提高了SiBN 纤维的抗高温氧化性能。
表1.实施例1～5及对照例1所得SiBN纤维性能参数
Figure BDA0003713616350000091
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：选取SiBN原纤维，对所述SiBN原纤维进行氧化处理或者沸水浸渍处理以在SiBN原纤维表面形成氧化层；所述氧化层的厚度为100~300nm；
S2：在惰性气氛下，对经过步骤S1的SiBN原纤维进行热处理，以诱导硼元素从SiBN原纤维内部迁移至氧化层，促进氧化层组分转变为Si2N2O微晶，得到含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维；所述热处理的温度为1500~1700℃，时间为1~10h；所述惰性气氛为氮气或者氩气。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述SiBN原纤维为细直径连续陶瓷纤维，直径为10~15μm，组成元素包括Si、B和N。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述氧化处理具体为：
在空气气氛中，将SiBN原纤维置于1000~1200℃下保温1~10h。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述沸水浸渍处理具体为：
将经过氧化处理的SiBN原纤维在沸腾的去离子水中浸渍1~20h。
5.一种含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维，其特征在于，由权利要求1~4任一项所述制备方法制备得到；所述SiBN纤维的表面包覆一层Si2N2O微晶原位涂层，所述Si2N2O微晶原位涂层的厚度为100~300nm。
6.一种含Si2N2O微晶原位涂层的SiBN纤维的应用，其特征在于，将权利要求1~4任一项所述制备方法制备得到的SiBN纤维或者权利要求5所述SiBN纤维应用于高速飞行器中。
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