形成复合材料保护层的方法和装置.pdf

提供一种减少陶瓷复合材料中氧化的方法。该方法包括用第一化学气相渗入(CVI)法将第一部分碳化硅(SiC)基体沉积(130)在至少一部分制品上，用第二CVI法将掺硅(Si)氮化硼(BN)层沉积(140)在至少一部分SiC基体内，和用第三CVI法将第二部分SiC基体沉积(150)在第一部分SiC基体的至少一部分或其延续部分内。

1.  一种减少陶瓷复合材料氧化的方法，所述方法包括：
使用第一化学气相渗入(CVI)法将第一部分碳化硅(SiC)基体沉积(130)在至少一部分制品上；
在使用第二CVI法将掺硅(Si)氮化硼(BN)层沉积(140)在至少一部分SiC基体内；
使用第三CVI法将第二部分SiC基体沉积(150)在第一部分SiC基体的至少一部分或其延续部分内。

2.  根据权利要求1的减少陶瓷复合材料氧化的方法，其中所述使用第一CVI法在至少一部分制品上沉积(120)第一部分SiC基体包括：
按照预定的碳(C)/硅(Si)比例沉积SiC基体，该比例在制品表面周围可以是均匀的，或是圆周改变的和/或随着制品的轮廓而变化；
保持等温条件沉积SiC基体，或者通过改变制品的温度沉积SiC基体，其中在制品内保持预定的温度梯度；
当制品是固定的或当制品围绕预定轴并以预定速度旋转时沉积SiC基体。

3.  根据权利要求2的减少陶瓷复合材料氧化的方法，其中所述按照预定的C/Si比例沉积SiC基体包括控制第一CVI法的多种条件，进一步包括控制多种气体反应剂的温度、压力、多种反应剂的流速、多种反应剂的多种浓度和由多种反应释放出来的多种浓度的多种副产物气体的除去速度。

4.  一种制造陶瓷复合材料制品的方法，所述方法包括：
制造(110)具有多种预定尺寸的碳纤维预制品；
在至少一部分碳纤维预制品上沉积(120)热解碳层；
使用第一化学气相渗入(CVI)法在至少一部分增强层上沉积(130)第一部分碳化硅(SiC)基体；
使用第二CVI法将掺硅(Si)氮化硼(BN)层沉积(140)在至少一部分SiC基体内；
使用第三CVI法将第二部分碳化硅基体沉积(150)在第一部分碳化硅基体的至少一部分或其延续部分内。

5.  一种包含陶瓷复合材料保护层的制品，所述层包括：
由表面区构成的基底；和
遍布至少一部分被用氧化剂浸渍的基体材料渗入的基底的纤维束区。

6.  根据权利要求5的包含陶瓷复合材料保护层的制品，其中所述基底进一步包括具有预定尺寸的碳纤维预制品。

7.  根据权利要求6的含有陶瓷复合材料保护层的制品，其中所述具有预定尺寸的碳纤维预制品包括：
预成型为具有一系列与成品尺寸基本类似的轮廓和厚度的制品；和
许多层，其中所述层具有多种预定材料密度，并且这些密度可以基本是均匀的、或圆周改变的和/或随着所述制品的所述轮廓而变化。

8.  根据权利要求5的含有陶瓷复合材料保护层的制品，其中遍布至少一部分被用氧化剂浸渍的基体材料渗入的所述基底的所述纤维束区包括沉积在所述预制品的至少一部分上的加强碳纤维束层。

9.  根据权利要求5的含有陶瓷复合材料保护层的制品，其中遍布至少一部分被用氧化剂浸渍的基体材料渗入的所述基底的纤维束区包括用氮化硼(BN)氧化剂浸渍的碳化硅(SiC)基体。

10.  根据权利要求9的含有陶瓷复合材料保护层的制品，其中所述用BN氧化剂浸渍的SiC基体可按照预定的碳(C)/硅(Si)比例沉积，这个比例在所述制品的表面区周围可以是均匀的，或是圆周改变的和/或随着制品的轮廓而变化。

形成复合材料保护层的方法和装置
技术领域
本发明通常涉及陶瓷复合材料，更具体地说，涉及防止复合材料在高温下被氧化。
背景技术
期望在各种应用情况下适合长期暴露于高温和/或高应力环境条件下的材料。存在着许多这种材料，例如，在这些条件下已经不同程度成功地使用过涂覆的陶瓷复合材料。
复合材料是由两种或多种的物理和/或化学性能不同的成分组成，并用分离它们的界面将它们连接在一起。这种复合材料的成分既不溶解也不完全互相融合。然而，这种复合材料却相互协同地作用。复合材料有一些特性，它们不能被正常地显现出来，并且通过单独的任何一种成分都不可能得到。通过使用复合材料可以提高的性能特点的例子包括增强材料强度、韧性和/或耐热性。至少一些已知的复合材料包括一个被称为基体的连续相和一个被称为加强物(reinforcement)的分散的不连续相。一般来说，加强件比基体更加坚硬和牢固。
复合材料的一个例子是一种碳纤维增强的碳化硅基体(C/SiC)陶瓷复合材料，它一般被使用在需要高强度和耐热性的应用中。碳纤维在高温(例如1650℃)下能够保持它们的性质。然而，碳纤维在这么高的温度环境下易于氧化。具有更大的硬度和耐氧化性的SiC基体，与界面涂层和附加的表面密封涂层组合，可以为碳纤维提供保护。
在富氧的高温环境下，氧气可以渗入陶瓷复合材料基体中并且与碳纤维进行反应。氧化反应先削弱碳纤维，紧接着可以削弱复合材料内部的区域。被削弱区域会导致材料的损失并且最终可能导致材料的损坏。阻挡涂层，如SiC基体，已经证明它在阻止氧化方面有一些效果；然而，氧化物质可通过基体涂层扩散达到碳纤维。
发明内容
一方面，提供一种减少陶瓷复合材料氧化的方法。该方法包括使用第一化学气相渗入(CVI)法将第一部分碳化硅(SiC)基体沉积在至少一部分制品上，使用第二CVI法将掺硅(Si)氮化硼(BN)层沉积在至少一部分SiC基体内，使用第三CVI法将第二部分SiC基体沉积在第一部分SiC基体的至少一部分或其延续部分(in continuation)内。
另一方面，提供一种制造陶瓷复合材料制品的方法。该方法包括制造具有多种预定尺寸的碳纤维预制品，将热解碳层沉积在至少一部分碳纤维预制品的碳层上，使用第一化学气相渗入法(CVI)将第一部分碳化硅(SiC)基体沉积在至少一部分增强热解碳层上，和使用第二CVI法将掺硅(Si)氮化硼(BN)层沉积在至少一部分SiC基体内，使用第三CVI法将第二部分SiC基体沉积在第一部分SiC基体的至少一部分或其延续部分内。
第三方面，提供一种包含陶瓷复合材料保护层的制品。该层包括由表面区组成的基底和遍布至少一部分被用氧化剂浸渍的基体材料渗入的基底的纤维束区。
附图说明
图1是一个形成复合材料保护层示范方法的流程图。
具体实施方式
图1是一个形成复合材料保护层示范方法100的流程图。
示范方法100的方法步骤110包括制造具有多种预定尺寸的碳纤维预制品，所述预定尺寸包括与成品尺寸基本类似的轮廓和厚度。该制品由许多层形成，其中这些层可以具有多种预定材料密度，并且这些密度基本可以是均匀的、或圆周(circumferentially)改变的和/或随着制品的轮廓而变化的。后成层(subsequentlayer)的基底主要界面是制品的表面。
示范方法100的方法步骤120包括将热解碳层沉积在基底的表面上。碳层沉积厚度可以是一致的和均匀的，或者具有多种可圆周改变和/或随着制品的轮廓而变化的厚度。
示范方法100的方法步骤130包括通过化学气相渗入(CVI)法使第一部分碳化硅(SiC)基体沉积在热解碳层之上。在CVI法中，气相反应中的化学反应剂被引进到制品中并且渗入多孔基底中，其中发生气相反应。在该CVI法中，通过蒸汽渗入多孔基底而形成陶瓷基体。
在CVI方法中，SiC基体是按照预定的碳(C)/硅(Si)比例沉积的，这个比例在制品表面周围可以是均匀的，或是圆周改变的和/或随着制品的轮廓而变化。当保持等温条件(例如，通常，在大约1000℃下进行SiC的CVI)时，可以沉积SiC基体，或者可以通过改变预制品的温度沉积SiC基体，其中在预制品中保持预定的温度梯度。此外，当制品是固定的或当制品围绕预定轴并以预定速度旋转时也可沉积SiC基体。通过控制气体反应剂的温度、压力、反应剂的流速、反应剂的浓度和由于气体反应剂和基底成分相互作用引起的反应释放出来的副产物气体的除去速度可获得所期望的沉积速度和厚度。
示范方法100的步骤140包括阻止SiC基体的沉积和使用CVI法将掺硅(Si)氮化硼(BN)层沉积在SiC基体内。在每一纤维和/或纤维束周围均匀地沉积CVIBN涂层。在高温下，BN涂层保持相对稳定。在高温下一经与氧气接触，BN涂层反应形成B₂O₃(和/或Si-B-O)玻璃层，它们一致地包裹着纤维束，因而阻止了氧气的进一步扩散和便于防止纤维和/或界面氧化。BN可从各种化合物，例如环硼氮烷(B₃N₃H₆)或者三氯化硼(BCl₃)和氨(NH₃)的混合物获得。
示范方法100的方法步骤150包括一旦BN层完全沉积就继续CVI SiC基体沉积。完成了SiC基体沉积的CVI法可以与第一次沉积使用的方法相同，或可以调节参数引起先前的基体沉积中止和基体中引入BN层。
在这里所描述的陶瓷复合材料的制造方法有利于减少陶瓷复合材料制品的氧化。更具体地说，上面所描述的玻璃层阻止了氧气的进一步扩散。因此，可以减少或消除陶瓷复合材料制品的退化和由制品损坏导致的维修费的增加。
虽然这里所描述和/或说明的方法是关于制造陶瓷复合材料制品的描述和/或说明，更具体地说，C/SiC陶瓷复合材料，这里所描述和/或说明的方法的实践既不局限于C/SiC陶瓷复合材料制品，也不局限于用除碳之外的纤维加强的复合材料，也不局限于通常的陶瓷复合材料。反之，在这里所描述和/或说明的方法可应用于制造任何材料的任何制品。
以上是详细描述了C/SiC陶瓷复合材料的示范实施方案。该方法、装置和系统既不局限于在这里所描述的具体的实施方案，也不局限于制造的具体的C/SiC制品，相反地，制造陶瓷复合材料的方法可被独立使用，也可与这里描述的其它方法、装置和系统或在这里没有进行描述的制造陶瓷复合材料的其它方法、装置和系统分开使用。例如，用在这里所描述的方法，也可以结合其它陶瓷复合材料。
尽管根据各种具体的实施方案描述了本发明，本领域的技术人员将认识到在权利要求的精神和范围内进行修改也可以实现本发明。
形成复合材料保护层的方法和装置
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