一种含氮化硅界面的透波复合材料的制备方法

摘要

本发明提供一种含氮化硅界面的透波复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)在氧化物纤维或者纤维预制件的表面采用低压化学气象沉积的方法沉积一层氮化硅涂层；(2)将沉积氮化硅涂层后的氧化物纤维或者纤维预制件放置进行5～8次硅溶胶浸渍-烘干工艺；(3)将每一次烘干处理后的复合材料放置在600～800℃下烧结处理0.5～1小时；(4)将最后一次烧结处理后的复合材料的表面用低压化学气相沉积的方法沉积一层氮化硅涂层。本发明工艺过程相对简单，易操作，重复性好，复合材料韧性高，抗热震性能好，复合材料孔隙率降低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷基复合材料的制备方法，特别是涉及一种含氮化硅界面的透波复合 材料的制备方法。

背景技术

航天透波材料是保护航天器在恶劣环境条件下通讯、制导等一系列正常工作的一种多功 能介质材料，在运载火箭、飞船、导弹和返回式卫星等航天飞行器无线电系统中有广泛的应 用。。航天透波材料按其结构件的形式主要分为天线窗和天线罩两大类，其中天线窗位于飞行 器的侧面，通常为平板或带弧面的板状，主要用来保护天线窗后面的无线电设备。天线罩位 于飞行器的头部，多为锥形或半球形，具有导流、防热、透波、承载等多种功能。氧化物纤 维增韧二氧化硅陶瓷基复合材料具有耐高温、抗烧蚀、承载、透波等优良性能的多功能透波 天线罩材料。目前，天线罩用连续氧化物纤维增强的多维二氧化硅陶瓷基复合材料主要制备 方法是硅溶胶浸渍法。该法是将纤维预制件在高纯硅溶胶中循环浸渍热解，在相对较低的温 度下进行热处理，根据预制件形状而制备具有多维复杂形状结构。

为满足现代航空航天科技对高马赫数大尺寸天线罩材料的需求，必须保证天线罩材料具 有良好的韧性以及抗热震性能。氮化硅是一种较好的天线罩候选材料，不仅具有优异的机械 性能和很高的热稳定性，而且具有较低的介电常数，能经受6-7马赫飞行条件下的热震。界 面是基体与纤维的结合处，两者分子在界面形成原子作用力，作为纤维与基体之间传递载荷 的过渡带，硬化和强化依赖于跨越界面的载荷传递，韧性受到裂纹偏转/纤维拔出的影响。 界面是陶瓷基体与纤维的“纽带”，是复合材料的“心脏”，具有连接纤维与基体以及把基体 的应力传递到纤维上的作用，其结构直接影响着复合材料的性能。部分纤维增强陶瓷基透波 复合材料虽然已经大幅度提高其韧性，但是在高马赫数下使用仍然不能满足要求。

发明内容

本发明所要解决的问题是提出一种含氮化硅界面的透波复合材料的制备方法。

操作过程：

(1)在氧化物纤维或者纤维预制件的表面采用低压化学气象沉积的方法沉积一层5～10um 的氮化硅涂层；

(2)将沉积氮化硅涂层后的氧化物纤维或者纤维预制件放置进行5～8次硅溶胶浸渍-烘干 工艺；

(3)将每一次烘干处理后的复合材料放置在600～800℃下烧结处理0.5～1小时；

(4)将最后一次烧结处理后的复合材料的表面用低压化学气相沉积的方法沉积一层氮化 硅涂层，厚度为20～40um。

其中：

低压化学气相沉积以四氯化硅和氨气为先驱体，以氢气为载气，以氩气为稀释气体，沉 积温度为750～800℃。

氧化物纤维或纤维预制件可选用氧化物玻璃纤维和氧化物陶瓷纤维，尤其是石英纤维， 高硅氧纤维，氧化铝纤维，莫来石纤维。

硅溶胶浸渍所使用的硅溶胶浓度为15～35％，浸渍过程为将浸渍罐中气压抽至负压，利用 负压将硅溶胶吸入浸渍罐，当硅溶胶完全覆盖纤维后，增加浸渍罐压力至2～5MPa，保持此 压力5～10分钟，之后利用气压将多余硅溶胶排出，从浸渍罐中取出预制件，放置在烘箱中准 备进行热处理工艺。

烘干工艺是从室温升至90～110℃，升温速率为1～2℃每分钟，然后在90～110℃保温60-90 分钟，然后使得温度升至180～200℃，升温速率为2～3℃每分钟，然后在150～200℃保温1～2 小时。

本发明中主要优点是：(1)工艺过程相对简单，易操作，重复性好；(2)复合材料韧性高， 抗热震性能好；(3)复合材料孔隙率降低。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用 于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修 改均落于本申请所附权利要求所限定。

实施例1

(1)在3维石英纤维预制件的表面采用低压化学气象沉积的方法沉积一层5um的氮化硅 涂层，沉积温度为750℃，低压化学气相沉积以四氯化硅和氨气为先驱体，以氢气为载气， 以氩气为稀释气体；

(2)将沉积氮化硅涂层后的石英纤维进行6次硅溶胶浸渍-烘干工艺，其中硅溶胶浸渍工 艺中硅溶胶浸渍所使用的硅溶胶浓度为25％，浸渍过程为将浸渍罐中气压抽至负压，利用负 压将硅溶胶吸入浸渍罐，当硅溶胶完全覆盖纤维后，增加浸渍罐压力至3MPa，保持此压力5 分钟，之后利用气压将多余硅溶胶排出，从浸渍罐中取出预制件，放置在烘箱中准备进行热 处理工艺，烘干工艺是从室温升至100℃，升温速率为1℃每分钟，然后在100℃保温60分 钟，然后使得温度升至180℃，升温速率为2℃每分钟，然后在180℃保温2小时；

(3)将每一次烘干处理后的复合材料放置在750℃下烧结处理1小时；

(4)将第6次烧结处理后的复合材料的表面用低压化学气相沉积的方法沉积一层氮化硅 涂层，厚度为20um，沉积温度为800℃，低压化学气相沉积以四氯化硅和氨气为先驱体，以 氢气为载气，以氩气为稀释气体。

实施例2

(1)在3维氧化铝纤维预制件的表面采用低压化学气象沉积的方法沉积一层8um的氮化 硅涂层，沉积温度为800℃，低压化学气相沉积以四氯化硅和氨气为先驱体，以氢气为载气， 以氩气为稀释气体；

(2)将沉积氮化硅涂层后的石英纤维进行8次硅溶胶浸渍-烘干工艺，其中硅溶胶浸渍工 艺中硅溶胶浸渍所使用的硅溶胶浓度为30％，浸渍过程为将浸渍罐中气压抽至负压，利用负 压将硅溶胶吸入浸渍罐，当硅溶胶完全覆盖纤维后，增加浸渍罐压力至4MPa，保持此压力5 分钟，之后利用气压将多余硅溶胶排出，从浸渍罐中取出预制件，放置在烘箱中准备进行热 处理工艺，烘干工艺是从室温升至110℃，升温速率为2℃每分钟，然后在110℃保温60分 钟，然后使得温度升至200℃，升温速率为2℃每分钟，然后在200℃保温2小时；

(3)将每一次烘干处理后的复合材料放置在800℃下烧结处理1小时；

(4)将第8次烧结处理后的复合材料的表面用低压化学气相沉积的方法沉积一层氮化硅 涂层，厚度为35um，沉积温度为800℃，低压化学气相沉积以四氯化硅和氨气为先驱体，以 氢气为载气，以氩气为稀释气体。