陶瓷基复合材料氮化硼界面相的优化设计与掺杂改性机理

高推重比航空发动机热端部件严酷的长时热力氧化腐蚀环境对陶瓷基复合材料提出了现实而迫切的需求。界面相是陶瓷基复合材料的关键微结构单元之一，除了通过传载和力学熔断实现强韧化功能外，还需要具备优异的抗氧化和抗水腐蚀性能。目前常用的热解炭和氮化硼界面相具有优异的强韧化功能，但抗氧化和抗水腐蚀性能较差。本项目针碳化硅陶瓷基复合材料氮化硼界面相的化学气相沉积过程，研究Ni/Fe和Si/Al对气相沉积氮化硼的掺杂改性机理，以期通过提高氮化硼的晶化程度和高温稳定性来提高氮化硼的抗氧化性能和抗水腐蚀性能，然后对掺杂改性的氮化硼界面相进行优化设计，获得最佳的氮化硼界面相组织结构参数和制造工艺参数，并用于碳化硅陶瓷基复合材料的制备与验证。本项目的研究成果将有助于提高我国碳化硅陶瓷基复合材料的使用温度和寿命，加速该材料在高推重比航空发动机等领域的应用进程。同时，丰富和发展掺杂改性这一材料共性科学问题的理论和方法。

本项目首先通过热力学计算及动力学实验研究了纯净BN的制备过程及反应机理。采用CVI法、含B基底渗氮处理法在石墨基片上了成功合成了纯净的无定形BN。研究发现：BN的产率主要与先驱气体比例α（α=[NH3]/[BCl3]）有关，随α增加而增大。BN的沉积速率随沉积温度的升高而增大。然后系统研究了Ni/Fe掺杂化学合成法制备高晶化程度h-BN的热力学过程与动力学过程，分析了催化掺杂机理。研究发现：800℃、900℃条件下生成h-BN且晶粒尺寸随Ni引入量增加而减小，随温度升高而增大。NH3气氛比N2气氛更易在低温（700℃）即生成高晶化程度的h-BN。然后系统研究了BCl3-NH3-SiCl4-H2-Ar体系的化学气相沉积热力学相图，分析了各反应参数的作用机制。以热力学分析为基础，以BCl3-NH3-SiCl4-H2-Ar为先驱体系，采用CVI法成功制备了Si-B-N陶瓷。使用MTS（CH3SiCl3）替换SiCl4作为硅源（碳源）后，采用CVI法首创地制备了Si-B-C-N陶瓷，分析了制备Si、C共掺杂BN界面的可行性。然后采用以上纯净/掺杂BN界面的制备工艺，制备了SiC/BN/SiC及SiC/SiBN/SiC纤维束复合材料，比较了两种材料的室温拉伸性能及抗氧化性能。研究发现：具有相同界面厚度的SiC/BN/SiC与SiC/SiBN/SiC纤维束复合材料，SiBN界面对纤维束复合材料强韧化的贡献优于BN界面。对于两种复合材料，界面热处理均可有效提高纤维束复合材料的室温拉伸性能，且拉伸强度普遍符合两参数Weibull分布。以SiBN为界面相的纤维束复合材料的拉伸强度保持率首先随氧化温度升高而增大，在700 oC和1000 oC氧化后的强度保持率分别为88%和97%，1200 oC氧化后的强度比未氧化时还有所提高。在此条件下，以SiBN作为界面相的SiC/SiC复合材料的强度略高于以BN作为界面相的SiC/SiC复合材料强度。1300 oC氧化时，界面相反应更为剧烈，SiC/SiBN/SiC复合材料强度有所下降。