三维碳纤维预制件增强氧化钇-氧化锆复相陶瓷复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种三维碳纤维预制件增强氧化钇‑氧化锆复相陶瓷复合材料及其制备方法，该复合材料包括三维碳纤维预制件和Y2O3‑ZrO2复相陶瓷，Y2O3‑ZrO2复相陶瓷中，ZrO2的摩尔含量为5%～95%，Y2O3‑ZrO2复相陶瓷均匀填充于所述三维碳纤维预制件的孔隙中，该复合材料的孔隙率为8%～15%。制备方法包括：（1）制备Y2O3‑ZrO2复合溶胶；（2）浸渍；（3）干燥；（4）热处理；（5）重复步骤（2）～（4）的浸渍‑干燥‑热处理过程。该复合材料具有低孔隙率、高致密度、耐高温、抗氧化和力学性能优良等优点，该制备方法制备效率高，且显著提高了所制备的复合材料的致密度和力学性能。

【技术实现步骤摘要】
三维碳纤维预制件增强氧化钇-氧化锆复相陶瓷复合材料及其制备方法
本专利技术属于耐高温的纤维增强陶瓷基复合材料
，尤其涉及一种三维碳纤维预制件增强氧化钇–氧化锆（Y2O3-ZrO2）复相陶瓷复合材料及其制备方法。
技术介绍
Y2O3-ZrO2复相陶瓷兼具Y2O3和ZrO2的耐高温、抗氧化、耐蠕变、耐腐蚀等优点，同时，Y2O3的引入能够抑制ZrO2的相变，因而是一种优良的耐高温陶瓷材料，作为热障涂层材料得到较多研究。作为单体陶瓷，Y2O3-ZrO2复相陶瓷的断裂韧性较低，大多数情况下为2～4MPa·m1/2。如此低的断裂韧性导致单体Y2O3-ZrO2复相陶瓷很难作为结构材料获得实际应用，特别是在具有较大机械载荷冲击、热冲击的场合，必须要进行增韧处理。在陶瓷基体中引入纤维，已经被证明是能够显著提高断裂韧性的最为有效的增韧方法。在增强纤维中，碳纤维因成本低、耐高温、拉伸强度高、易编织成型复杂形状等优点而成为使用最为广泛的增强体。因此，若能将碳纤维与Y2O3-ZrO2复相陶瓷复合在一起，结合两者的优势，理论上有望获得兼具耐高温、抗氧化、高强度、高韧性的纤维增强Y2O3-ZrO2复相陶瓷复合材料。按照纤维在复合材料中的排布方式，即纤维预制件的结构形式，可以分为一维、二维、三维预制件增强复合材料。一维复合材料是指将纤维束通过陶瓷基体粉末配制成的泥浆（浆料中有粘接剂将陶瓷粉末粘附在纤维上）缠绕成无纬布，再将无纬布按不同方向、不同角度铺层，或者直接按不同方向、不同角度缠绕成所需形状，然后经高温无压或者热压烧结得到的复合材料。二维复合材料是指通过涂刷、浸涂陶瓷基体粉末配制成的泥浆等方式在纤维布表面粘附上陶瓷基体，将纤维布叠层后，经高温无压或者热压烧结得到的复合材料。三维复合材料是指先将纤维制作成三维立体的预制件，然后通过气相法、液相法等手段将陶瓷基体引入预制件中所得到的复合材料。相比较而言，三维复合材料的整体性较优（一维和二维复合材料的面内、层间性能较弱），纤维含量与排布方向性的可设计性强，更加适用于复杂形状构件的制备。然而，由于预制件结构的不同，三维复合材料的致密化难以照搬一维、二维复合材料的制备工艺。针对三维预制件的结构特点，目前通常采用两种致密化方法：一是将预制件加热到所需温度后，通入气态原料，原料扩散至预制件中在高温作用下反应沉积得到陶瓷基体，随着沉积时间延长，预制件中孔隙逐渐被陶瓷基体填充，致密度不断增加，称之为气相法；二是将预制件浸渍液态原料后，干燥去除溶剂，然后在高温下热处理得到陶瓷基体，重复“浸渍-干燥-热处理”若干个周期，预制件中孔隙逐渐被陶瓷基体填充，致密度不断增加，称之为液相法。相比之下，液相法对设备的要求低，对复合时设备中的温度场、化学场不敏感，在复杂形状和批量构件制备时的优势更加明显。而且对于纤维增强Y2O3-ZrO2复相陶瓷复合材料而言，目前适合用于沉积Y2O3和ZrO2的气态原料太少，沉积特性也不够理想，液态原料则比较容易获得，性能可靠。对于液相法而言，如何快速制备出高致密度、高力学性能的三维纤维预制件增强Y2O3-ZrO2复相陶瓷复合材料，是需要解决的一个关键问题，所涉及的关键技术点包括液态原料性质、浸渍工艺、热处理工艺。目前还未发现通过液相法制备三维碳纤维预制件增强Y2O3-ZrO2复相陶瓷复合材料的研究报道。
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，提供一种耐高温、抗氧化和力学性能优良的三维碳纤维预制件增强氧化钇-氧化锆（Y2O3-ZrO2）复相陶瓷复合材料及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种三维碳纤维预制件增强氧化钇-氧化锆复相陶瓷复合材料，其特征在于，包括三维碳纤维预制件和Y2O3-ZrO2复相陶瓷，所述Y2O3-ZrO2复相陶瓷中，ZrO2的摩尔含量为5%～95%，所述Y2O3-ZrO2复相陶瓷均匀填充于所述三维碳纤维预制件的孔隙中，所述三维碳纤维预制件增强Y2O3-ZrO2复相陶瓷复合材料的孔隙率为8%～15%。上述的三维碳纤维预制件增强氧化钇-氧化锆复相陶瓷复合材料，优选的，所述三维碳纤维预制件为碳纤维布叠层缝合得到的三维碳纤维预制件、碳纤维布与网胎交替叠层针刺得到的三维碳纤维预制件、三维五向编织结构的三维碳纤维预制件、二维半编织结构的三维碳纤维预制件、三维四向编织结构的三维碳纤维预制件中的一种或多种；所述三维碳纤维预制件中碳纤维的体积分数为25%～55%。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种三维碳纤维预制件增强氧化钇-氧化锆复相陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）制备Y2O3-ZrO2复合溶胶：将Y2O3溶胶和ZrO2溶胶混合，加入稳定剂，得到Y2O3-ZrO2复合溶胶；（2）浸渍：将三维碳纤维预制件置于容器中，抽真空后吸入步骤（1）所得的Y2O3-ZrO2复合溶胶，进行真空浸渍，使所述Y2O3-ZrO2复合溶胶填充在三维碳纤维预制件中；（3）干燥：将三维碳纤维预制件取出干燥，以去除Y2O3-ZrO2复合溶胶中的溶剂和稳定剂；（4）热处理：在惰性气氛保护下进行热处理，得到三维碳纤维预制件增强Y2O3-ZrO2复相陶瓷复合材料中间体；（5）重复步骤（2）～（4）的浸渍-干燥-热处理过程，直至三维碳纤维预制件增强Y2O3-ZrO2复相陶瓷复合材料中间体相比于上一次浸渍-干燥-热处理过程增重低于1%，得到三维碳纤维预制件增强Y2O3-ZrO2复相陶瓷复合材料。上述的三维碳纤维预制件增强氧化钇-氧化锆复相陶瓷复合材料的制备方法，优选的，所述步骤（1）中，所述稳定剂为强酸，所述稳定剂与所述Y2O3溶胶的质量比为2～3∶10。上述的三维碳纤维预制件增强氧化钇-氧化锆复相陶瓷复合材料的制备方法，优选的，所述强酸包括HNO3、HCl或H2SO4。上述的三维碳纤维预制件增强氧化钇-氧化锆复相陶瓷复合材料的制备方法，优选的，所述步骤（1）中，所述Y2O3-ZrO2复合溶胶中，固含量为20wt%～40wt%，Y2O3和ZrO2的摩尔比为95/5～5/95，复合溶胶的胶粒尺寸≤30nm。上述的三维碳纤维预制件增强氧化钇-氧化锆复相陶瓷复合材料的制备方法，优选的，所述步骤（3）中，干燥温度为400℃～700℃，干燥时间为1h～6h。上述的三维碳纤维预制件增强氧化钇-氧化锆复相陶瓷复合材料的制备方法，优选的，所述步骤（2）中，真空浸渍后还包括在设定压力下进行气压辅助浸渍，使所述Y2O3-ZrO2复合溶胶进一步填充在三维碳纤维预制件中。上述的三维碳纤维预制件增强氧化钇-氧化锆复相陶瓷复合材料的制备方法，优选的，所述步骤（2）中，所述真空浸渍的工艺条件为：真空度≤500Pa，浸渍时间为4h～8h；所述气压辅助浸渍的工艺条件为：所述设定压力为2MPa～10MPa，浸渍时间为2h～6h。上述的三维碳纤维预制件增强氧化钇-氧化锆复相陶瓷复合材料的制备方法，优选的，所述步骤（4）中，所述热处理的工艺过程为：在惰性气氛保护下，以10℃/min～20℃/min的速率升温至1100℃～1500℃，保温0.5h～2h。上述的三维碳纤维预制件增强氧化钇-氧化锆复相陶瓷复合材料的制备方法，优选的，在所述步骤（2）之前还包括三维碳纤维预制件预处理步骤，具体为：将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维碳纤维预制件增强氧化钇‑氧化锆复相陶瓷复合材料，其特征在于，包括三维碳纤维预制件和Y2O3‑ZrO2复相陶瓷，所述Y2O3‑ZrO2复相陶瓷中，ZrO2的摩尔含量为5%～95%，所述Y2O3‑ZrO2复相陶瓷均匀填充于所述三维碳纤维预制件的孔隙中，所述三维碳纤维预制件增强Y2O3‑ZrO2复相陶瓷复合材料的孔隙率为8%～15%。

【技术特征摘要】
1.一种三维碳纤维预制件增强氧化钇-氧化锆复相陶瓷复合材料，其特征在于，包括三维碳纤维预制件和Y2O3-ZrO2复相陶瓷，所述Y2O3-ZrO2复相陶瓷中，ZrO2的摩尔含量为5%～95%，所述Y2O3-ZrO2复相陶瓷均匀填充于所述三维碳纤维预制件的孔隙中，所述三维碳纤维预制件增强Y2O3-ZrO2复相陶瓷复合材料的孔隙率为8%～15%。2.根据权利要求1所述的三维碳纤维预制件增强氧化钇-氧化锆复相陶瓷复合材料，其特征在于，所述三维碳纤维预制件为碳纤维布叠层缝合得到的三维碳纤维预制件、碳纤维布与网胎交替叠层针刺得到的三维碳纤维预制件、三维五向编织结构的三维碳纤维预制件、二维半编织结构的三维碳纤维预制件、三维四向编织结构的三维碳纤维预制件中的一种或多种；所述三维碳纤维预制件中碳纤维的体积分数为25%～55%。3.一种三维碳纤维预制件增强氧化钇-氧化锆复相陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：（1）制备Y2O3-ZrO2复合溶胶：将Y2O3溶胶和ZrO2溶胶混合，加入稳定剂，得到Y2O3-ZrO2复合溶胶；（2）浸渍：将三维碳纤维预制件置于容器中，抽真空后吸入步骤（1）所得的Y2O3-ZrO2复合溶胶，进行真空浸渍，使所述Y2O3-ZrO2复合溶胶填充在三维碳纤维预制件中；（3）干燥：将三维碳纤维预制件取出干燥，以去除Y2O3-ZrO2复合溶胶中的溶剂和稳定剂；（4）热处理：在惰性气氛保护下进行热处理，得到三维碳纤维预制件增强Y2O3-ZrO2复相陶瓷复合材料中间体；（5）重复步骤（2）～（4）的浸渍-干燥-热处理过程，直至三维碳纤维预制件增强Y2O3-ZrO2复相陶瓷复合材料中间体相比于上一次浸渍-干燥-热处理过程增重低于1%，得到三维碳纤维预制件增强Y2O3-ZrO2复相陶瓷复合材料。4.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：马青松，曾宽宏，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43