一种碳纤维增强ZrB2-ZrN复相陶瓷基复合材料及其制备方法技术

技术编号:12706144 阅读:81 留言:0更新日期:2016-01-14 02:38
本发明专利技术公开了一种碳纤维增强ZrB2-ZrN复相陶瓷基复合材料及其制备方法,该碳纤维增强ZrB2-ZrN复相陶瓷基复合材料以碳纤维为增强体,以ZrB2-ZrN复相陶瓷为基体。其制备方法包括以下步骤:以丙烯为先驱体,采用化学气相沉积工艺在碳纤维增强体的表面沉积碳涂层,得到表面沉积有碳涂层的碳纤维增强体;将表面沉积有碳涂层的碳纤维增强体进行致密步骤,得到多孔C/BN预制体;将多孔C/BN预制体与金属锆或锆合金进行熔融浸渗步骤,得碳纤维增强ZrB2-ZrN复相陶瓷基复合材料。本发明专利技术的制备工艺简单、成本低、周期短,制备的复合材料致密化程度高,陶瓷相体积分数高且分布均匀。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超高温热防护结构
,尤其涉及一种硼化物-氮化物复相超高温陶瓷为基体的陶瓷基复合材料及其制备方法。
技术介绍
高超声速飞行器已成为新型高超声速武器系统和航空航天的主要发展方向,将在未来国家安全和发展中发挥重要作用。随着高超声速飞行器飞行速度的提高,对耐超高温、抗烧蚀材料的需求越来越迫切,现有材料已不能满足高超声速飞行器热防护系统和推进系统发展的需要,必须发展新一代耐超高温、抗烧蚀、抗热震、高可靠的新材料。超高温陶瓷基复合材料(UHTCMC)是指纤维增韧超高温陶瓷基体的复合材料,具有尚强度、尚初性、抗热震性能好、可靠性尚等优点,是尚超声速飞彳丁器超尚温防热材料的重要候选材料。目前,针对超高温陶瓷基复合材料的研究,基本上都是以碳纤维为增强体,基体主要以碳化物和硼化物为主。高超声速飞行器外防热结构需要在有氧环境中长时间承受2000°C以上的超高温工况,材料在高温下一般都会发生氧化反应,其熔融氧化产物对复合材料的保护作用是超高温陶瓷基复合材料具有优良抗氧化、抗烧蚀性能的关键。由于Zr02和把02的熔点分别高达2760°C和2850°C,因此在氧化性环境中使用时,锆和铪的碳化物、硼化物和氮化物均能作为耐超高温陶瓷基体。和碳化物和氮化物相比,硼化物在氧化性环境中使用时在低温阶段能生成玻璃态的B203,有利于材料使用过程中低温阶段的抗氧化性能。且ZrB2S度相对较低,因此更适合于航空航天领域的应用。制备纤维增强超高温陶瓷基复合材料的方法主要有先驱体浸渍-裂解法(PIP)、化学气相渗透法(CVI)、液相金属渗透反应法(RMI)、泥浆法等。由于没有合适的先驱体聚合物,PIP工艺制备纤维增强ZrB2陶瓷基复合材料还未见公开报道。而法国人G.Male试图采用CVI工艺制备碳纤维增强2池2陶瓷基复合材料,取得了一定的研究成果,但目前复合材料的致密化程度仍无法令人满意。因此目前纤维增强2池2陶瓷基复合材料主要采用泥浆法将ZrB2粉体引入纤维预制体,然后通过CVI或PIP工艺进行致密得到纤维增强ZrB 2_SiC复相陶瓷基复合材料。对于RMI工艺制备ZrB2基复合材料已经有很多研究和报道,但均仅限于制备单相或复相ZrB2陶瓷,如韩国人Woo、美国人Dickson、国内国防科技大学王松(102167592A)和上海硅酸盐研究所张国军(CN101215173A)等。但采用RMI工艺制备纤维增强ZrB2基陶瓷基复合材料目前仍罕有报道,因为该工艺的难点主要是如何采用简便的方法将B源大量地引入纤维预制体。西北工业大学王一光等(CN 102515870A)采用向未完全致密的C/SiC预制体中加压浸渍B4C-酚醛泥浆后裂解的方式引入B源,然后采用Zr-Si合金熔融浸渗反应制得了 C/SiC-ZrC-ZrB2复合材料。但泥浆法加压浸渍方法引入的B源在材料内部呈梯度分布,最后制备的2“-2池2主要分布在表面,仅相当于制备了 ZrC-ZrB 2梯度涂层;该法制备的复合材料中ZrBjP ZrC超高温陶瓷体积含量不高(低于10%)。国防科技大学胡海峰等采用泥浆成型获得C/C-B4C坯体,经RMI工艺制备了 2池2含量达到16.7vol.%的C/C-ZrC-ZrB2复合材料。但泥浆法的缺点就是陶瓷粉分布不均匀导致后期材料组分和分布无法控制,而且无法成型复杂形状构件,限制了材料的工程应用范围。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种致密化程度高,陶瓷相体积分数高且分布均匀的碳纤维增强ZrB2-ZrN复相陶瓷基复合材料,还提供该复合材料的制备方法。为解决上述技术问题,本专利技术采用如下技术方案: 一种碳纤维增强ZrB2-ZrN复相陶瓷基复合材料,所述碳纤维增强ZrB2_ZrN复相陶瓷基复合材料以碳纤维为增强体,以ZrB2-ZrN复相陶瓷为基体。上述的碳纤维增强ZrB2-ZrN复相陶瓷基复合材料,优选的,所述ZrB2_ZrN复相陶瓷的体积分数为24%?64% ;所述碳纤维表面沉积有碳纤维保护涂层。上述的碳纤维增强ZrB2-ZrN复相陶瓷基复合材料,优选的,所述碳纤维增强ZrB2-ZrN复相陶瓷基复合材料的密度为3g/cm3?4.5 g/cm 3,碳纤维增强ZrB2_ZrN复相陶瓷基复合材料的开孔率为8%?15%。作为一个总的技术构思,本专利技术还提供了碳纤维增强ZrB2-ZrN复相陶瓷基复合材料的制备方法,所述碳纤维增强ZrB2-ZrN复相陶瓷基复合材料以碳纤维为增强体,以ZrB2-ZrN复相陶瓷为基体。优选的,该碳纤维增强ZrB2_ZrN复相陶瓷基复合材料的体积分数为24%?64% ;所述碳纤维增强体表面沉积有碳纤维保护涂层。进一步优选的,所述碳纤维增强ZrB2-ZrN复相陶瓷基复合材料的密度为3%?4.5%,碳纤维增强ZrB2_ZrN复相陶瓷基复合材料的开孔率为8%?15%。上述的制备方法,优选的,具体包括以下步骤: 51、以丙烯为先驱体,采用化学气相沉积工艺在碳纤维的表面沉积碳涂层,得到表面沉积有碳涂层的碳纤维增强体; 52、将步骤S1制得的所述表面沉积有碳涂层的碳纤维增强体进行致密步骤,得到多孔C/BN预制体; 53、将步骤S2制得的所述多孔C/BN预制体与金属锆或锆合金进行熔融浸渗步骤,得碳纤维增强ZrB2-ZrN复相陶瓷基复合材料。上述的制备方法,优选的,所述步骤S1中所述化学气相沉积工艺具体为:将丙烯通入碳纤维中,以960°C进行气相沉积,使碳纤维表面形成碳涂层。上述的制备方法,优选的,所述沉积时间为15h?25h,丙稀的流量为200ml/min。上述的制备方法,优选的,所述步骤S2中所述致密步骤采用先驱体浸渍-裂解工艺或化学气相沉积工艺。上述的制备方法,优选的,所述先驱体浸渍-裂解工艺具体为:将所述表面沉积有碳涂层的碳纤维增强体浸渍于先驱体中,以900°C?1200°C裂解1 h?3h。进一步优选的,以液态H_B_N聚合物为先驱体。上述的制备方法,优选的,所述化学气相沉积工艺具体为:以H-B-N聚合物为先驱体,将H-B-N聚合物通入所述表面沉积有碳涂层的碳纤维增强体中,在900°C?1100°C下进行气相沉积100h?350h。上述的制备方法,优选的,所述步骤S3中所述熔融浸渗步骤具体为将所述多孔C/BN预制体与金属锆或锆合金以1900°C?2100°C进行熔融浸渗0.5 h?2h。与现有技术相比,本专利技术的优点在于: (1)本专利技术提供了一种碳纤维增强ZrB2-ZrN复相陶瓷基复合材料,以碳纤维为增强体,以ZrB2-ZrN复相陶瓷为基体。相对于现有技术中存在ZrB2_SiC复相陶瓷基复合材料、纤维增强ZrB2基陶瓷基复合材料、C/SiC-ZrC-ZrB 2复合材料,本专利技术首次制备的碳纤维增强ZrB2-ZrN复相陶瓷基复合材料的超高温陶瓷组分含量高,耐受的温度更高,工艺简便、能够实现构件的净成型。(2)本专利技术采用化学气相沉积工艺在碳纤维表面沉积碳纤维保护涂层能够在反应形成ZrB2-ZrN基体的过程中对纤维形成有效保护,防止纤维被Zr侵蚀导致性能较低。化学气相沉积制备的碳纤维保护涂层能完全包覆纤维表面。(3)本专利技术提供了一种碳纤维增强ZrB2-ZrN复相陶瓷基复合材料的制备方法,通过本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种碳纤维增强ZrB2‑ZrN复相陶瓷基复合材料,其特征在于,所述碳纤维增强ZrB2‑ZrN复相陶瓷基复合材料以碳纤维为增强体,以ZrB2‑ZrN复相陶瓷为基体。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:陈思安胡海峰张玉娣张长瑞李勇马新吴金泰
申请(专利权)人:中国人民解放军国防科学技术大学
类型:发明
国别省市:湖南;43

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