一种类Z-pins金属棒增强碳陶复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种类Z‑pins金属棒增强碳陶复合材料的制备方法，将经预处理的金属粉末填充至碳陶复合材料的纵向盲孔中，压制成型，真空或惰性气氛下进行烧结，即获得类Z‑pins金属棒碳陶复合材料；本发明专利技术技术方案，通过在已成型的碳碳预制体或碳陶复合材料的厚度方向中预制盲孔，然后在盲孔中充填金属或合金粉末后烧结获得类Z‑pins结构增强碳陶复合材料，一方面，所形成的类Z‑pins结构中的金属在高温环境下，会优先于陶瓷基体的氧化，并达到优良的裂纹、孔洞等缺陷的自愈合效果，延长试样的高温服役时间及提高其高温服役性能；另一方面所述类Z‑pins的机械侨联和拔出，消耗大量的能量，从而提高基体的抗层间开裂性能，提升碳陶复合材料的力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种类Z-pins金属棒增强碳陶复合材料的制备方法
本专利技术涉及一种类Z-pins金属棒增强碳陶复合材料的制备方法，属于复合材料制备

技术介绍
随着航空航天技术的迅猛发展，高超声速飞行器成为现阶段航空航天领域研究的重点。但由于其飞行速度极快高达马赫数5以上，且表面强烈的气动加热和高速粒子冲蚀，导致某些部位表面温度高达2000℃以上。那么对其材料的耐温极限、抗高温氧化和高速气流冲刷下的强韧性等的要求将更加严苛。此外，在如此恶劣的氧化对流环境中，极少零部件能够保持结构和尺寸的完整性。因此，设计和制备出具有良好的高温抗烧蚀性、抗热震性并能保持良好高温强度、零部件结构和尺寸的完整性的热防护材料，是新型飞行器的关键。目前，超高温陶瓷(UHTCs)改性C/C复合材料，既保留了C/C复合材料低密度、低热膨胀系数、高强度、高断裂韧性、高热导率，强抗热震性等优点，又克服了单一C/C复合材料在高温下的抗氧化性缺点，使其更好的适用于极端的高温环境中。ZrC、HfC、TaC、ZrB2等超高温陶瓷与SiC陶瓷的复合改性C/C复合材料是现今碳基复合材料研究的重点，且被证实在2000℃一下的超高温环境下能在表面形成一层致密的氧化物保护层，避免基体进一步氧化，从而保证其良好的抗烧蚀性能。但是超过此温度，超高温陶瓷与SiC陶瓷的复合改性C/C复合材料在使用过程中将体现出许多不足之处，并最终导致其材料在高温下的烧蚀失效。以ZrC-SiC陶瓷改性C/C复合材料为例，在2000℃以上的超高温、富氧、高速气流冲刷的极端环境下长时间使用时，C/C-ZrC-SiC复合材料仍表现出较大的烧蚀率，颗粒或块状剥蚀等严重现象。而出现这些问题的原因在于：第一，基体改性过程中的高温制备环境以及金属与C/C复合材料中的碳发生剧烈的化学反应所带来的孔洞、微裂纹、碳纤维损伤等增加了氧扩散通道，同时形成应力集中源，最终降低了材料在高温过程中的抗热化学烧蚀以及机械剥蚀能力；第二，碳基复合材料内部陶瓷相的分布不均匀，限制了材料表面形成连续致密的氧化物薄膜保护层；第三，SiO2的蒸气压随温度升高呈指数函数递增，其黏度随之降低，使得SiO2大量耗散，无法封闭基体制备过程以及烧蚀过程中产生的显微裂纹和孔洞。最终促使多孔、质脆的ZrO2骨架被大量冲刷而加速了基体的氧化和剥蚀；第四，氧化物层与基体的热失配问题导致其在恶劣环境下开裂或整块剥蚀。综上所述，现有的C/C-ZrC-SiC复合材料在长时、高温、富氧、高速气流冲刷的恶劣环境下，难以形成致密、连续的氧化物层来避免基体进一步氧化。因此，为了拓宽超高温陶瓷改性C/C复合材料的使用温度，关键在于如何避免氧化物的耗散，尤其是对具有密封孔和裂纹等缺陷自愈合作用的玻璃态SiO2的保护，从而使其表面获得一层连续、致密长时有效的氧化物保护层。然而，从材料自身的物理化学本质特性来讲，已经基本被挖掘到极限。但是从材料表面结构改造出发，通过改变材料表面结构，影响材料表面熔融金属氧化物液体的流动状态，促使液态金属氧化物在表面的有效驻留，充分发挥其自愈合效果，最终使表面形成一层均匀致密的氧化物保护层。文献“XFFang,FSLiu,BWLu,XFeng,Bio-InspiredMicrostructureDesigntoImproveThermalAblationandOxidationResistance:ExperimentonSiC,J.Am.Ceram.Soc.98(2015)4010-4015.”和“X.F.Fang,F.S.Liu,B.Xia,D.P.Ou,X.Feng,Formationmecha-nismsofcharacteristicstructuresonthesurfaceofC/SiCcompositessubjectedtothermalablation,J.Eur.Cerm.Soc.36(2016)451-456.”均报道了通过材料表面结构改造来改善SiC陶瓷或C/SiC复合材料在烧蚀过程中所形成的SiO2熔体的流动状态以及对其材料抗烧蚀性能的提升机理研究。研究表明，通过在SiC陶瓷或C/SiC复合材料表面制备出规则分布的凹槽，既能够改变材料表面的局域流场，改变局域氧浓度，以及化学反应速率，又能阻止熔融态SiO2被高速气流冲刷耗散，促使熔融态SiO2的有效驻留，促使表面形成一层均匀致密的氧化物保护层，从而大大提高SiC陶瓷或C/SiC复合材料在1700℃～1800℃下的抗烧蚀性能。但是在超高温陶瓷与SiC陶瓷复合改性C/C复合材料使用温度超过2000℃的极端恶劣环境下，SiO2的大量蒸发在所难免，最终仍将降低基体表面氧化物保护膜的致密度。
技术实现思路
针对现有技术的不足,本专利技术的目的在于提供一种可同步提高超高温碳陶复合材料高温抗烧蚀性能与力学性能的类Z-pins金属棒增强碳陶复合材料的制备方法。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种类Z-pins金属棒增强碳陶复合材料的制备方法，将经预处理的金属粉末填充至碳陶复合材料的纵向盲孔中，压制成型，真空或惰性气氛下进行烧结，即获得类Z-pins金属棒增强碳陶复合材料；所述盲孔的孔径为Φ1.5～Φ5mm，深度为碳陶复合材料厚度的40～70％，分布密度为5％～20％。在本专利技术中，盲孔的分布密度为5～20％是指盲孔的横向截面表面积为碳陶复合材料横向截面表面积的5％～20％。本专利技术技术方案，通过在已固化成型的碳碳预制体或碳陶复合材料的厚度方向中预制规则分布的盲孔，并通过在碳陶复合材料的盲孔中充填金属或合金粉末后烧结获得类Z-pins金属棒碳陶复合材料。一方面，所形成的类Z-pins金属棒结构中的低熔点金属在高温环境下熔化并蒸发，耗散基体表面大部分热量，从而大大降低基体表面温度；或类Z-pins金属棒中的金属在高温环境下，会优先于陶瓷基体氧化，形成低熔点金属氧化物并大量蒸发，耗散大量的热量和氧气，从而避免碳陶复合材料的氧化；或形成高熔点熔融态金属氧化物呈放射状流动至基体表面，从而促使基体表面覆盖充足的氧化物含量，达到优良的裂纹、孔洞等缺陷的自愈合效果，同时本专利技术中的类Z-pins金属棒结构之间形成的氧化物呈放射状流动，最终汇聚并各自阻碍其被高速气流冲刷流失，达到阻流的效果，从而促使基体表面生成一层均匀、致密、连续的氧化物保护层来提高材料的高温抗热化学烧蚀和机械剥蚀性能，最终延长试样的高温服役时间以及提高其高温服役性能；另一方面所述类Z-pins金属棒的机械侨联和拔出，使得类Z-pins结构能大大提高基体的抗层间开裂性能。专利技术人发现，盲孔的孔径对所形成的类Z-pins金属棒直径，最终增强超高温陶瓷改性碳基复合材料的性能具有很大的影响。孔径过大，充填的金属粉末越多，所形成的类Z-pins金属棒的直径越大。那么对整个材料的质量会有大大增加；同时类Z-pins金属棒增强碳基复合材料表面有更大面积的金属氧化，使其表面氧化反应剧烈，并使材料表面形成过量的熔融态的金属氧化物，使其产生高温液态金属氧化物的腐蚀。此现象不但不能促进基体的抗氧化抗烧蚀作用，反而增加了液态金属及其氧化物的腐蚀，大大降低了基体的高温性能。并且类Z-pins金属棒直径越大，对基体层间强度增强效果将得到降低。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种类Z‑pins金属棒增强碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：将经预处理的金属粉末填充至碳陶复合材料的纵向盲孔中，压制成型，真空或惰性气氛下进行烧结，即获得类Z‑pins金属棒增强碳陶复合材料；所述盲孔的孔径为Φ1.5～Φ5mm，深度为碳陶复合材料厚度的40～70％，分布密度为5％～20％。

【技术特征摘要】
1.一种类Z-pins金属棒增强碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：将经预处理的金属粉末填充至碳陶复合材料的纵向盲孔中，压制成型，真空或惰性气氛下进行烧结，即获得类Z-pins金属棒增强碳陶复合材料；所述盲孔的孔径为Φ1.5～Φ5mm，深度为碳陶复合材料厚度的40～70％，分布密度为5％～20％。2.根据权利要求1所述的一种类Z-pins金属棒增强碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：所述盲孔的孔径为Φ1.5～Φ2mm。3.根据权利要求1所述的一种类Z-pins金属棒增强碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：所述盲孔的深度为碳陶复合材料厚度的40～60％，分布密度为8％～15％。4.根据权利要求1所述的一种类Z-pins金属棒增强碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：所述碳陶复合材料为超高温陶瓷与SiC陶瓷复合改性C/C复合材料。5.根据权利要求1所述的一种类Z-pins金属棒增强碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：所述金属粉末为单一金属粉末、混合金属粉末、合金粉末中的任意一种；所述金属粉末满足以下特性中的至少一种：一是金属的熔点≤1000℃，二是金属形成的金属氧化物的熔点为＜1700℃，三是金属熔点≥1700℃且所形成的金属氧化物熔点为1700℃～2700℃、沸点≥3000℃。6.根据权利要求1所述的一种类Z-pins金属棒增强碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：所述烧结方式选自固相烧...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙威，田甜，熊翔，王雅雷，曾毅，徐永龙，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43