Cf/MC-SiC复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Cf/MC‑SiC复合材料及其制备方法，该Cf/MC‑SiC复合材料包括碳纤维预制件、MC基体和SiC基体，M为Zr或Hf，所述MC基体和SiC基体均匀填充于所述碳纤维预制件的孔隙中，所述Cf/MC‑SiC复合材料中，所述MC基体的体积分数为10％～20％，所述SiC基体的体积分数为20％～30％，开孔率为2％～10％。制备方法包括以下步骤：(1)先驱体浸渍裂解制备Cf/MC素坯；(2)制备Cf/MC‑C素坯；(3)气相渗硅方法制备Cf/MC‑SiC复合材料。该Cf/MC‑SiC复合材料具有MC基体含量高、孔隙率低、热导率高、抗氧化和耐烧蚀且力学性能优异等优点，其制备方法工艺简单，易于实现。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于陶瓷基复合材料领域，尤其涉及一种Cf/MC-SiC复合材料及其制备方法。
技术介绍
超高声速飞行器鼻锥、机翼前缘、火箭发动机燃烧室等部件的热防护系统正面临着日益恶劣的工作环境，亟需新的耐超高温材料的开发和应用。现有的耐高温材料如难熔金属、石墨材料、C/C、Cf/SiC复合材料已不能满足应用要求，所以开发出耐超高温、耐烧蚀、抗氧化的新材料体系对新型航天器的发展有着重要的意义。超高温陶瓷具有熔点高、热稳定性好、导热系数高、力学性能好，抗氧化耐烧蚀等许多优良的性能，因此，耐超高温陶瓷及其复合材料正成为热防护材料的研究热点。超高温陶瓷(UHTC)是指熔点超过3000℃的过渡金属碳化物、硼化物、以及氮化物，如ZrB2、HfB2、TaC、HfC、NbC、ZrC、HfN等，然而陶瓷材料固有的脆性导致其断裂韧性低、断裂应变小、抗热震性能较差，单独使用时抗氧化性能差，从而限制了其在航空航天领域的应用。纤维增强超高温陶瓷基复合材料能很好地克服陶瓷脆性及抗热震性能差等缺点，而且还具有密度低，性能可设计等优点，正成为新型航天器热防护系统最有前途的候选材料之一。其中Cf/MC-SiC(M＝Zr,Hf)陶瓷基复合材料将MC超高温陶瓷高熔点，耐烧蚀性能优良的特点以及SiC力学性能优良与良好的抗氧化性能结合起来，有望成为新一代超高温热防护材料。现阶段制备Cf/MC-SiC(M＝Zr,Hf)复合材料的工艺包括先驱体浸渍裂解工艺(PIP)、反应熔渗工艺(RMI)、以及浆料浸渍工艺(SI)。其中，PIP工艺的优点很突出：(a)先驱体分子可设计，进而实现对最终复合材料陶瓷基体组成、结构与性能的控制；(b)制备温度低，设备要求简单；(c)可制备大型复杂形状的构件，能够实现近净成型。但也存在材料孔隙率高，制备周期较长等缺点。因此，为制备高性能的Cf/MC-SiC复合材料以及实现产业化，还需在PIP工艺基础上开展降低孔隙率、缩短制备周期等工作。
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MC基体含量高、孔隙率低、热导率高、抗氧化和耐烧蚀且力学性能优异的Cf/MC-SiC(M＝Zr,Hf)复合材料，还提供一种工艺简单、易于实现的Cf/MC-SiC(M＝Zr,Hf)复合材料的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种Cf/MC-SiC复合材料，包括碳纤维预制件、MC基体和SiC基体，M为Zr或Hf，所述MC基体和SiC基体均匀填充于所述碳纤维预制件的孔隙中，所述Cf/MC-SiC复合材料
中，所述MC基体的体积分数为10％～20％，所述SiC基体的体积分数为20％～30％，开孔率为2％～10％。作为一个总的专利技术构思，本专利技术还提供一种Cf/MC-SiC复合材料的制备方法，M为Zr或Hf，包括以下步骤：(1)制备Cf/MC素坯：(1.1)将碳纤维预制件在MC陶瓷先驱体溶液中真空浸渍，裂解，重复浸渍-裂解过程，得到Cf/MC复合材料中间体；(1.2)将步骤(1.1)所得Cf/MC复合材料中间体在真空条件下热处理，得到Cf/MC素坯；(2)制备Cf/MC-C素坯：将Cf/MC素坯在树脂溶液中真空浸渍，裂解，重复浸渍-裂解过程，得到Cf/MC-C素坯；(3)制备Cf/MC-SiC复合材料：采用气相渗硅方法将Cf/MC-C素坯进行反应烧结，得到Cf/MC-SiC复合材料。上述的Cf/MC-SiC复合材料的制备方法，优选地，所述步骤(1.1)中，所述真空浸渍的时间为3h～12h，真空度为50Pa～500Pa；所述裂解气氛为氩气气氛，温度为600℃～1100℃，裂解时间为0.5h～2h，所述浸渍-裂解过程重复次数为10次～16次。上述的Cf/MC-SiC复合材料的制备方法，优选地，所述步骤(1.2)中，所述热处理温度为1200～1600℃，时间为1h～3h，真空度为1-100Pa。上述的Cf/MC-SiC复合材料的制备方法，优选地，所述步骤(2)中，所述真空浸渍的时间为3h～12h，真空度为50Pa～500Pa；所述裂解气氛为氩气气氛，温度为900℃～1100℃，裂解时间为0.5h～2h，所述浸渍-裂解过程重复次数为0次～4次。上述的Cf/MC-SiC复合材料的制备方法，优选地，所述步骤(3)中，所述气相渗硅方法的具体过程为：将Cf/MC-C素坯和硅粉置于高温炉内，在温度为1600℃～1800℃、真空度为10Pa～90Pa的条件下高温反应烧结1h～5h。上述的Cf/MC-SiC复合材料的制备方法，优选地，所述步骤(1.1)之前，还包括将碳纤维预制件进行改性处理，具体过程为：采用化学气相沉积工艺，以丙烯为前驱体，在温度为900℃～1100℃，压强为1kPa～3kPa条件下在碳纤维预制件上制备热解碳涂层。上述的Cf/MC-SiC复合材料的制备方法，优选地，所述步骤(1.1)中，所述MC陶瓷先驱体溶液的制备过程为：将MOCl2·8H2O、一水合柠檬酸、乙二醇与蒸馏水进行混合，搅拌，得到MC陶瓷先驱体溶液。上述的Cf/MC-SiC复合材料的制备方法，优选地，所述MOCl2·8H2O、一水合柠檬酸、乙二醇与蒸馏水的摩尔比为：1∶0.5～6∶0.5～10∶60～600。上述的Cf/MC-SiC复合材料的制备方法，优选地，所述步骤(2)中，所述树脂溶液包括酚醛树脂的乙醇溶液、沥青的喹啉溶液或呋喃树脂溶液。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术的Cf/MC-SiC(M＝Zr,Hf)复合材料，包括碳纤维预制件、MC基体和SiC基体，M为Zr或Hf，MC基体和SiC基体均匀填充于碳纤维预制件的孔隙中，该Cf/MC-SiC复合材料中，MC基体的体积分数为10％～20％，SiC基体的体积分数为20％～30％，开孔率为2％～10％。低的开孔率意味着该复合材料的致密度高，热导率与致密度密切相关，因而该复合材料的热导率也相应很高；MC超高温陶瓷具有高熔点，耐烧蚀性能优良的特点；SiC具有力学性能优良和良好的抗氧化性能，但烧蚀性能不佳，将二者结合得到的Cf/MC-SiC(M＝Zr,Hf)复合材料与Cf/MC和Cf/SiC相比，兼具优良的热导率、抗氧化和耐烧蚀性能，有望成为新一代热防护材料。2、本专利技术的Cf/MC-SiC(M＝Zr,Hf)复合材料的制备方法，为先驱体浸渍裂解工艺(PIP)和气相渗硅工艺(GSI)的联用。先通过先驱体浸渍裂解工艺引入超高温陶瓷基体MC(M＝Zr,Hf)，该工艺采用真空辅助手段，压力低，操作简便，随后通过相同工艺引入热解碳制备得到Cf/MC-C(M＝Zr,Hf)素坯，最后通过气相渗硅工艺一步得到Cf/MC-SiC(M＝Zr,Hf)复合材料。这既利用了PIP工艺简单，易于实现，引入的MC(M＝Zr,Hf)含量高(可达20vol％)，且分布均匀的特点，也联合了气相渗硅工艺可一次实现坯体高致密度复合成型的优点。3、本专利技术的Cf/MC-SiC(M＝Zr,Hf)复合材料的制备方法，MC先驱体经裂解后，须经过热处理完成碳热还原反应才能得到MC基体，热处理后得到Cf/MC素坯呈现多孔状，这是因为，在热处理过程中发生了碳热还原反应：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Cf/MC‑SiC复合材料，包括碳纤维预制件、MC基体和SiC基体，M为Zr或Hf，其特征在于，所述MC基体和SiC基体均匀填充于所述碳纤维预制件的孔隙中，所述Cf/MC‑SiC复合材料中，所述MC基体的体积分数为10％～20％，所述SiC基体的体积分数为20％～30％，开孔率为2％～10％。

【技术特征摘要】
1.一种Cf/MC-SiC复合材料，包括碳纤维预制件、MC基体和SiC基体，M为Zr或Hf，其特征在于，所述MC基体和SiC基体均匀填充于所述碳纤维预制件的孔隙中，所述Cf/MC-SiC复合材料中，所述MC基体的体积分数为10％～20％，所述SiC基体的体积分数为20％～30％，开孔率为2％～10％。2.一种Cf/MC-SiC复合材料的制备方法，M为Zr或Hf，包括以下步骤：(1)制备Cf/MC素坯：(1.1)将碳纤维预制件在MC陶瓷先驱体溶液中真空浸渍，裂解，重复浸渍-裂解过程，得到Cf/MC复合材料中间体；(1.2)将步骤(1.1)所得Cf/MC复合材料中间体在真空条件下热处理，得到Cf/MC素坯；(2)制备Cf/MC-C素坯：将Cf/MC素坯在树脂溶液中真空浸渍，裂解，重复浸渍-裂解过程，得到Cf/MC-C素坯；(3)制备Cf/MC-SiC复合材料：采用气相渗硅方法将Cf/MC-C素坯进行反应烧结，得到Cf/MC-SiC复合材料。3.根据权利要求2所述的Cf/MC-SiC复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1.1)中，所述真空浸渍的时间为3h～12h，真空度为50Pa～500Pa；所述裂解气氛为氩气气氛，温度为600℃～1100℃，裂解时间为0.5h～2h，所述浸渍-裂解过程重复次数为10次～16次。4.根据权利要求3所述的Cf/MC-SiC复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1.2)中，所述热处理温度为1200～1600℃，时间为1h～3h，真空度为1-100Pa。5.根据权利要求4所述的Cf/MC-...

【专利技术属性】
技术研发人员：严春雷，刘荣军，曹英斌，张长瑞，王衍飞，龙宪海，李斌，王思青，
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