硼吖嗪和碳硅烷双组元化学气相沉积制备SiBCN界面相涂层技术研究

SiBCN has excellent stability and oxidation resistance, which could be one kind of promising interphase materials in fiber reinfored composites. However, the current preparing technologies of SiBCN are not suitable for fabricating homogeneous and dense coatings on the surface of fibers. In this proposal, SiBCN coatings will be fabricated on the surfaces of carbon fibers and silicon carbide fibers by chemical vapor deposition using borazine and carbosilane as the precursor. The pyrolysis mechanism of borazine and carbosilane will be studied, and the thermodynamics and kinetics of the growth of SiBCN coatings would be investigated; besides, the microstructures, stability at high temperatures and oxidation resistance of the coatings will be characterized, and the relationship among the deposition process, microstructures and properties will be built. Based on the study on the coatings, ceramic matrix composites will be prepared by precursor infiltration and pyrolysis reinforced by SiBCN coated fibers, and the effect of the interphase on the properties of the composites will be explorered. We will originally study the deposition mechanism and the control of microstructures of SiBCN, which could be of scientific significance for understanding the physical and chemical process of the CVD using bi-precursor to prepare multi component ceramic coatings, and could be applicable for increasing the oxidation resistance at high temperatures of fiber reinforced composite materials.

SiBCN陶瓷具有优良的高温稳定性、抗氧化性，是一种极具发展潜力的纤维增强复合材料的界面相材料。但目前SiBCN的制备工艺不适宜在纤维表面制备均匀致密涂层。 本项目拟采用硼吖嗪和碳硅烷作为先驱体，通过双组元化学气相沉积（CVD）工艺在碳纤维和碳化硅纤维表面制备SiBCN涂层，研究硼吖嗪和碳硅烷的热解机理，探究SiBCN涂层的沉积生长热力学和动力学过程，系统表征涂层的微观结构、高温稳定性和抗氧化性，建立沉积工艺、涂层微观结构与性能之间的关系。在涂层研究基础上，以涂覆SiBCN涂层的纤维为增强体，采用先驱体浸渍裂解工艺制备复合材料，探索SiBCN界面相对复合材料性能的影响。 本项目将在SiBCN涂层的沉积机理及其微观结构的精确调控等方面开展原创性工作，对理解双组元CVD工艺制备多元陶瓷涂层的物理化学过程具有一定的科学意义，对纤维增强复合材料在高温氧化环境下的应用具有一定的应用价值。

SiBCN陶瓷具有优良的高温稳定性、抗氧化性，是一种极具发展潜力的纤维增强复合材料的界面相材料。但目前SiBCN的制备工艺不适宜在纤维表面制备均匀致密涂层。本项目采用硼吖嗪和液态聚碳硅烷作为先驱体，通过双组元化学气相沉积（CVD）工艺在硅片和碳化硅纤维表面制备SiBCN涂层，探究了硼吖嗪和碳硅烷的热解机理及SiBCN涂层的沉积生长动力学过程，系统研究了沉积工艺条件对SiBCN涂层微观结构精确调控的影响，考察了SiBCN涂层对SiC纤维性能的影响。并在涂层研究基础上，以涂覆SiBCN涂层的纤维为增强体，采用先驱体浸渍裂解工艺制备复合材料，探索了SiBCN界面相对SiCf/SiC复合材料性能的影响。研究结果表明，沉积温度是控制CVD法制备SiBCN涂层沉积动力学的关键因素，沉积速率在900 ℃ 时达到最大值，服从Arrhenius定律；当系统压强较低时，得到的涂层均匀，光滑，致密，沉积均匀性随系统压强的升高而增大；当载气流量较低时，可得到表面颗粒形状为“鹅卵石”状的SiBCN涂层，均匀性随反应气源流量的增大而增大。LPCS/硼吖嗪比只影响SiBCN涂层的元素含量，其中Si和C的含量随比例的增大而增大。经SiBCN涂层处理后的SiC纤维拉伸强度略微下降，而抗氧化性能提高，电阻率基本保持不变。SiBCN界面相的存在可有效提高SiCf/SiC复合材料的弯曲强度与抗氧化性能，且在厚度为500 nm时弯曲强度最大；此外，SiBCN界面相的存在对SiCf/SiC复合材料的介电常数没有显著影响，说明SiBCN陶瓷是一种理想的界面相材料。项目成果有助于进一步理解双组元CVD工艺制备多元陶瓷涂层的沉积机理及其微观结构的精确调控，对纤维增强复合材料在高温氧化环境下的实际应用具有一定的参考价值。