一种超高温陶瓷改性C/C复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种超高温陶瓷改性C/C复合材料的制备方法，通过采用化学液相气化沉积工艺技术，使得超高温陶瓷前驱体溶液在高温下反应，生成陶瓷和热解碳，并沉积在碳纤维预制体中，最后再进行热处理，从而得到超高温陶瓷改性C/C复合材料。本发明专利技术的创新性在于采用化学液相气化沉积工艺，制备出超高温陶瓷改性C/C复合材料，克服了传统工艺方法生产周期长，对纤维具有一定损伤等问题，实现了在短时间内制备出均匀分布的超高温陶瓷改性C/C复合材料。本方法中，前驱体的成分比例、化学液相气化沉积工艺参数和热处理过程对实验结果的影响很大。通过调节实验参数，可以在C/C复合材料中得到分布均匀的超高温陶瓷，对于提升C/C复合材料抗氧化、抗烧蚀性能十分有利。

【技术实现步骤摘要】
一种超高温陶瓷改性C/C复合材料的制备方法
本专利技术属于基体改性C/C复合材料的
，具体涉及一种超高温陶瓷改性C/C复合材料的制备方法。
技术介绍
碳/碳(C/C)复合材料有着许多优异的性能，并且已经成功运用于军事领域：如飞机机翼前沿、火箭发动机喷管，喉衬、导弹鼻锥、航空刹车等方面。但是，随着航空航天技术的发展，需要C/C复合材料面对更加严酷的环境。然而C/C复合材料由于易氧化、耐烧蚀性能不足已经不能满足其热防护要求。因此，在C/C复合材料中引入超高温陶瓷组元被认为是提高其抗氧化、抗烧蚀性能的有效途径。传统的引入超高温陶瓷组元的工艺方法有：化学气相渗透法、聚合物浸渍裂解法、反应熔渗法、浆料渗透-热压等。这些工艺方法生产周期长，成本高，超高温陶瓷在C/C复合材料内部分布不均匀，有的工艺对纤维还具有一定的损伤，直接影响着复合材料的力学性能。文献“C/C-ZrB2(ZrC、TaC)超高温陶瓷基复合材料制备工艺及性能研究[D].国防科学技术大学,2008.”通过先驱体浸渍裂解工艺引入ZrC，制备了C/C-ZrC复合材料，随着ZrC含量的增加，复合材料在制备过程中膨胀现象加剧，开孔率增大导致烧蚀性能下降，ZrC体积含量为15％时制备的复合材料综合性能较好。然而，复合材料制备周期长，材料完全致密化至少需要10次左右的浸渍-裂解循环且最终制备的复合材料不可避免的会残留一定数量的孔隙。另外，裂解过程中产生的气体副产物对纤维有一定的损伤，且伴随着基体的收缩，因而材料内部存在残余应力。文献2“LiZ,LiH,ZhangS,etal.Effectofreactionmeltinfiltrationtemperatureontheablationpropertiesof2DC/C-SiC-ZrCcomposites[J].CorrosionScience,2012,58:12-19.”通过采用等温化学气相沉积工艺结合反应熔渗法工艺制备了C/C-SiC-ZrC复合材料，并且反应熔渗温度对复合材料烧蚀性能具有明显的影响，但是该工艺方法生产周期长，反应熔渗对纤维具有一定的损伤，使复合材料力学性能下降。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种超高温陶瓷改性C/C复合材料的制备方法，利用化学液相气化沉积工艺的特点，如沉积速率快，实验周期短，成本低，沉积产物均匀分布等，将配成的有机陶瓷前驱体溶液在高温下反应，生成陶瓷以及热解碳，最后进行热处理，从而在短时间内制备出均匀分布的超高温陶瓷改性C/C复合材料。技术方案一种超高温陶瓷改性C/C复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：采用无水乙醇超声清洗碳纤维预制体或低密度C/C复合材料，并在烘箱干燥；将有机陶瓷前驱体溶解在有机溶剂中，配成前驱体溶液，其中：5％～35％的有机陶瓷前驱体和65％～95％的有机溶剂；步骤2：将步骤1处理过的碳纤维预制体或低密度C/C复合材料放置于液相炉中，将前驱体溶液倒入炉内，然后采用化学液相气化沉积工艺进行沉积：由室温升至900℃～1200℃，沉积时间为12～48h，随后由900℃～1200℃逐渐降至600℃，沉积完成；步骤3：将沉积完成的碳纤维预制体或低密度C/C复合材料放入等温炉中进行热处理，由室温升至1700℃～2500℃，保温时间为2～6h，随后由1700℃～2500℃降至到1000℃，关闭电源，自然冷却；整个热处理过程中一直通入高纯氩气，氩气流速为50cm3/min，炉内压力为1atm。所述碳纤维预制体的密度为0.2～0.6g/cm3，低密度C/C复合材料的密度为0.7～1.3g/cm3。所述的有机陶瓷前驱体为有机锆前驱体、有机铪前驱体、有机钽前驱体或有机硅前驱体的一种或几种。所述的有机溶剂为二甲苯、甲苯、环己烷或煤油中的一种。所述步骤2化学液相气化沉积过程的升温速率为20℃/min。所述步骤3热处理过程升温速率为2℃/min。有益效果本专利技术提出的一种超高温陶瓷改性C/C复合材料的制备方法，利用化学液相气化沉积工艺技术，使有机陶瓷前驱体溶液在高温下反应，生成的陶瓷以及热解碳沉积在碳纤维预制体内，形成陶瓷组元均匀分布的C/C复合材料，最后再进行热处理，从而可在十几个小时内制备出超高温陶瓷改性C/C复合材料。此专利技术可实现一步完成复合材料的制备，相比于反复浸渍几十次，耗费数月时间的传统工艺方法，本专利技术显著地缩短了制备周期，降低了成本，并且本专利技术的制备方法简单，亦可用于其他复合材料的基体改性，如陶瓷基复合材料，金属基复合材料等，因此发展前景十分可观，经济效益和社会效益十分显著。本专利技术创新性在于采用化学液相气化沉积工艺，制备出超高温陶瓷改性C/C复合材料，克服了传统工艺方法生产周期长，对纤维具有一定损伤等问题，实现了在短时间内制备出均匀分布的超高温陶瓷改性C/C复合材料。本方法中，前驱体的成分比例、化学液相气化沉积工艺参数和热处理过程对实验结果的影响很大。通过调节实验参数，可以在C/C复合材料中得到分布均匀的超高温陶瓷，对于提升C/C复合材料抗氧化、抗烧蚀性能十分有利。附图说明图1为制备超高温陶瓷改性C/C复合材料的工艺流程图图2为化学液相气化沉积炉的装置图图中：1、冷却器2、冷却水入口3、保护气体4、1号发热体5、2号发热体6、反应器7、前驱体溶液8、隔热材料9、预制体10、感应线圈11、阀门12、前驱体溶液入口13、冷却水出口14、尾气出口15、1号热电偶16、2号热电偶。图3为实施例1所制备的ZrC改性C/C复合材料的BSE图图4为实施例1所制备的ZrC改性C/C复合材料的XRD图具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：实施例1：步骤1：将密度为0.45g/cm3的2D碳毡加工成尺寸为Φ80mm×10mm的圆盘，在无水乙醇溶液中超声清洗两次，每次15min，并在80℃干燥；称取500g有机锆前驱体以及量取12L二甲苯液体，并将有机锆前驱体溶解在二甲苯中，配好前驱体溶液；步骤2：采用化学液相气化沉积工艺技术，将加工好的2D碳毡放置于液相沉积炉中，并将配好的前驱体溶液倒入炉内，然后以20℃/min的升温速度由室温升至1200℃，保温16h后，再以20℃/min的降温速度由1200℃逐渐降至600℃，关闭电源，自然冷却，最后取出2D碳毡；步骤3：将步骤2沉积的2D碳毡置于等温炉中做热处理：以2℃/min的升温速度由室温升至1800℃，保温2h后，随后以100℃/min的降温速度由1800℃降至1000℃，关闭电源，自然冷却。整个热处理过程中一直通入高纯氩气，氩气流速控制在50cm3/min，炉内压力为1atm；冷却至室温后即可得到分布均匀的ZrC陶瓷改性C/C复合材料。所述的有机溶剂还可以为甲苯、环己烷或煤油中的一种。实施例2：步骤1：将密度为0.5g/cm3的2D碳毡加工成尺寸为Φ80mm×15mm的圆盘，在无水乙醇溶液中超声清洗两次，每次15min，并在80℃干燥；称取1kg有机铪前驱体以及量取10L二甲苯液体，并将有机锆前驱体溶解在二甲苯中，配好前驱体溶液；步骤2：采用化学液相气化沉积工艺技术，将加工好的2D碳毡放置于液相沉积炉中，并将配好的前驱体溶液倒入炉内，然后以20℃/min的升温速度由本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高温陶瓷改性C/C复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：采用无水乙醇超声清洗碳纤维预制体或低密度C/C复合材料，并在烘箱干燥；将有机陶瓷前驱体溶解在有机溶剂中，配成前驱体溶液，其中：5％～35％的有机陶瓷前驱体和65％～95％的有机溶剂；步骤2：将步骤1处理过的碳纤维预制体或低密度C/C复合材料放置于液相炉中，将前驱体溶液倒入炉内，然后采用化学液相气化沉积工艺进行沉积：由室温升至900℃～1200℃，沉积时间为12～48h，随后由900℃～1200℃逐渐降至600℃，沉积完成；步骤3：将沉积完成的碳纤维预制体或低密度C/C复合材料放入等温炉中进行热处理，由室温升至1700℃～2500℃，保温时间为2～6h，随后由1700℃～2500℃降至到1000℃，关闭电源，自然冷却；整个热处理过程中一直通入高纯氩气，氩气流速为50cm3/min，炉内压力为1atm。

【技术特征摘要】
1.一种超高温陶瓷改性C/C复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：采用无水乙醇超声清洗碳纤维预制体或低密度C/C复合材料，并在烘箱干燥；将有机陶瓷前驱体溶解在有机溶剂中，配成前驱体溶液，其中：5％～35％的有机陶瓷前驱体和65％～95％的有机溶剂；步骤2：将步骤1处理过的碳纤维预制体或低密度C/C复合材料放置于液相炉中，将前驱体溶液倒入炉内，然后采用化学液相气化沉积工艺进行沉积：由室温升至900℃～1200℃，沉积时间为12～48h，随后由900℃～1200℃逐渐降至600℃，沉积完成；步骤3：将沉积完成的碳纤维预制体或低密度C/C复合材料放入等温炉...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢锦花，何秦川，李贺军，付前刚，李伟，宋强，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61