一种ZrC-Cu-C/C复合材料制造技术

为了改善C/C复合材料的硬度、耐磨性，设计了一种ZrC‑Cu‑C/C复合材料。采用C/C复合坯体，Zr粉和Cu粉为原料，所制得的ZrC‑Cu‑C/C复合材料，其硬度、致密化程度、抗弯强度都得到大幅提升。其中，复合材料烧蚀前相组成主要为C、ZrC和Cu相，有微量Zr残余，烧蚀后复合材料中部分ZrC氧化生成ZrO2，部分Cu氧化生成CuO和Cu2O，烧蚀表面主要由炭基体、ZrO2、CuO、Cu2O及残余ZrC和Cu组成。随熔渗剂中Zr的质量分数的增加，复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率均呈现先减小后增大的趋势。本发明专利技术能够为制备高性能的C/C复合材料提供一种新的生产工艺。

A ZrC-Cu-C/C Composite Material

In order to improve the hardness and wear resistance of C/C composites, a kind of ZrC_Cu_C/C composites was designed. The hardness, densification degree and flexural strength of ZrC_C u_C/C composites prepared by using C/C composite body, Zr powder and Cu powder as raw materials have been greatly improved. Among them, the composites are mainly composed of C, ZrC and C u phases, with trace Zr residues. After ablation, some ZrC oxidizes to ZrO 2 and some CuO oxides to CuO and CuO. The ablated surfaces are mainly composed of carbon matrix, ZrO 2, CuO, CuO, CuO and residual ZrC and Cu. With the increase of the mass fraction of Zr in the flux, the linear ablation rate and mass ablation rate of the composites decrease first and then increase. The invention can provide a new production process for preparing high performance C/C composite materials.

【技术实现步骤摘要】
一种ZrC-Cu-C/C复合材料所属
本专利技术涉及一种复合材料，尤其涉及一种ZrC-Cu-C/C复合材料。
技术介绍
C/C复合材料是指以炭纤维或其织物为增强相，以化学气相渗透的热解炭或液相浸渍－炭化的树脂炭、沥青炭为基体组成的一种纯炭多相结构。炭/炭（C/C）复合材料是一种新型高性能结构、功能复合材料，具有高强度、高模量、高断裂韧性、高导热、隔热优异和低密度等优异特性，在机械、电子、化工、冶金和核能等领域中得到广泛应用，并且在航天、航空和国防领域中的关键部件上大量应用。碳化锆是一种硬度大的高熔点材料和极好的高温耐火材料。用做火箭发动机中固体推进剂的一种原料。用于生产合金钢。也是生产金属锆和四氯化锆原料，以及有前途的精细陶瓷材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了改善C/C复合材料的硬度、耐磨性，设计了一种ZrC-Cu-C/C复合材料。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：ZrC-Cu-C/C复合材料的制备原料包括：C/C复合坯体，纯度为99%，粒度为48μm的Zr粉和Cu粉。ZrC-Cu-C/C复合材料的制备步骤为：将原始粉末按实验设计方案称重、配料，配好后倒入行星球磨机中进行湿磨，球磨时间为32h。球磨结束后，将制得的粒料进行真空干燥，干燥时间为50min，干燥温度为40℃，随后加入成形剂进行制粒。将制好的粉末加至万能试验机中进行压制成形，压制压力为180MPa，放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1200℃，保温时间为60min。当炉内温度达到烧结温度后充入氩气进行低压处理以减少Ni的损失和降低孔隙率，低压压力为1MPa，保压90min。ZrC-Cu-C/C复合材料的检测步骤为：材料烧蚀前后厚度变化采用外径千分尺测量，质量损失采用FA210型分析天秤测量，物相变化采用Dmax250型全自动转靶X射线衍射仪分析，微观形貌采用Quan250型场发射环境扫描电子显微镜观察。所述的ZrC-Cu-C/C复合材料，反应熔渗制备的ZrC-Cu-C/C复合材料烧蚀前相组成主要为C、ZrC和Cu相，有微量Zr残余，烧蚀20s后，复合材料中部分ZrC氧化生成ZrO2，部分Cu氧化生成CuO和Cu2O，烧蚀表面主要由炭基体、ZrO2、CuO、Cu2O及残余ZrC和Cu组成。所述的ZrC-Cu-C/C复合材料，ZrC和Cu的加入有利于提高C/C复合材料的抗烧蚀性能，随熔渗剂中Zr的质量分数从55%增加到80%，ZrC-Cu-C/C复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率均呈现先减小后增大的趋势，以60%Zr-Cu为熔渗剂制备的复合材料的抗烧蚀性能最好，其烧蚀19s的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.002、0.001。所述的ZrC-Cu-C/C复合材料，氧-乙炔焰烧蚀条件下，ZrC-Cu-C/C复合材料的烧蚀机制为热物理烧蚀、热化学烧蚀和机械剥蚀的综合作用。本专利技术的有益效果是：采用C/C复合坯体，Zr粉和Cu粉为原料，经过配料、球磨、干燥、制粒、成形、烧结工艺成功制备了具有优异力学性能的ZrC-Cu-C/C复合材料。其中，ZrC和Cu的加入有利于提高C/C复合材料的抗烧蚀性能，随着含量的增加，复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率均呈现先减小后增大的趋势。所制得的ZrC-Cu-C/C复合材料，其硬度、致密化程度、抗弯强度都得到大幅提升。本专利技术能够为制备高性能的C/C复合材料提供一种新的生产工艺。具体实施方式实施案例1：ZrC-Cu-C/C复合材料的制备原料包括：C/C复合坯体，纯度为99%，粒度为48μm的Zr粉和Cu粉。ZrC-Cu-C/C复合材料的制备步骤为：将原始粉末按实验设计方案称重、配料，配好后倒入行星球磨机中进行湿磨，球磨时间为32h。球磨结束后，将制得的粒料进行真空干燥，干燥时间为50min，干燥温度为40℃，随后加入成形剂进行制粒。将制好的粉末加至万能试验机中进行压制成形，压制压力为180MPa，放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1200℃，保温时间为60min。当炉内温度达到烧结温度后充入氩气进行低压处理以减少Ni的损失和降低孔隙率，低压压力为1MPa，保压90min。ZrC-Cu-C/C复合材料的检测步骤为：材料烧蚀前后厚度变化采用外径千分尺测量，质量损失采用FA210型分析天秤测量，物相变化采用Dmax250型全自动转靶X射线衍射仪分析，微观形貌采用Quan250型场发射环境扫描电子显微镜观察。实施案例2：随熔渗剂中Zr的质量分数增加，ZrC-Cu-C/C复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率均呈现先减小后增大的趋势。经过19s的氧-乙炔焰烧蚀后，复合材料的抗烧蚀性能最优点，有效提高了C/C复合材料的抗烧蚀性能。烧蚀前ZrCCu-C/C复合材料的主要相组成为C、ZrC和Cu，并残留有微量Zr。随熔渗剂中Zr的质量分数增加，复合材料中残留Zr的体积分数略有增加，但Cu的体积分数急剧减少。复合材料的熔渗剂与C之间的润湿性最好，使得熔渗相充分填充C/C复合坯体的孔隙，进而获得致密度较高的ZrC-Cu-C/C复合材料。复合材料烧蚀前表面比较平滑致密，碳纤维和热解炭与熔渗相结合良好，复合材料的表面变得粗糙，虽然没有宏观裂纹产生，但烧蚀中心可见较为明显的烧蚀凹坑，而且烧蚀表面有白色物质生成。实施案例3：白色氧化物为ZrO2，球形颗粒为Cu2O，熔渗基体相中的部分ZrC和Cu被氧化生成ZrO2和Cu2O。由于火焰的冲刷作用，碳纤维表面未形成ZrO2层，而且纤维之间存在较大孔隙，炭相已受到侵蚀。该氧化层由Zr和Cu的氧化物混合组成。碳纤维和热解炭表面被大量氧化物颗粒包覆，炭基体保存较好。炭基体表面氧化层中存在明显裂纹，而且有部分块体剥落的现象。产生裂纹的原因主要有两种：一种是降温过程中的热应力释放，另一种是ZrC转变成ZrO2时会发生体积膨胀，导致颗粒之间产生挤压。碳纤维呈针尖状，具有类似C/C复合材料氧化后的形貌。实施案例4：C/C复合材料的烧蚀总是优先从界面及缺陷等部位开始，材料中存在的裂纹、孔隙等缺陷以及各类界面是烧蚀的薄弱环节。烧蚀过程中，燃气将沿着这些薄弱环节向四周扩散，导致材料中的孔隙逐渐变大，增大了材料的内表面面积，形成氧扩散的通道，使界面发生氧气的吸附并在反应时优先成为高活性区域，因此在燃气冲刷、材料内部热应力等的综合作用下，材料表面产生了一定程度的机械剥蚀，从而增加了材料表面的粗糙度，加剧了材料的进一步烧蚀。当C/C复合材料中引入ZrC和Cu改性后，材料的抗烧蚀性能得到了显著提高。实施案例5：在用氧-乙炔焰烧蚀的过程中，ZrC-Cu-C/C复合材料的烧蚀机制主要为热物理烧蚀、热化学烧蚀及机械剥蚀。热物理烧蚀主要表现在复合材料中C的升华、由ZrC氧化生成的ZrO2的熔化及Cu在高温下的熔化和升华，热化学烧蚀是指复合材料的相在高温热流中的氧化反应，主要为ZrC和C相的氧化，机械剥蚀主要指高压热流对炭基体、熔融Cu和熔融ZrO2的冲刷作用，致使碳纤维剥落和Cu、ZrO2的流失。烧蚀后材料表面有部分Cu转变成氧化物CuO和Cu2O。当温度超过1100℃时，CuO会分解成Cu2O和O2，当温度达到1600℃时Cu2O会分解为Cu和O2，在火焰中心温度高达2000℃的情况下，不会存在Cu的固态氧化物。在C/C复合材料中添加C本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.ZrC‑Cu‑C/C复合材料的制备原料包括：C/C复合坯体，纯度为99%，粒度为48μm的Zr粉和Cu粉。

【技术特征摘要】
1.ZrC-Cu-C/C复合材料的制备原料包括：C/C复合坯体，纯度为99%，粒度为48μm的Zr粉和Cu粉。2.根据权利要求1所述的ZrC-Cu-C/C复合材料，其特征是ZrC-Cu-C/C复合材料的制备步骤为：将原始粉末按实验设计方案称重、配料，配好后倒入行星球磨机中进行湿磨，球磨时间为32h，球磨结束后，将制得的粒料进行真空干燥，干燥时间为50min，干燥温度为40℃，随后加入成形剂进行制粒，将制好的粉末加至万能试验机中进行压制成形，压制压力为180MPa，放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度为1200℃，保温时间为60min，当炉内温度达到烧结温度后充入氩气进行低压处理以减少Ni的损失和降低孔隙率，低压压力为1MPa，保压90min。3.根据权利要求1所述的ZrC-Cu-C/C复合材料，其特征是ZrC-Cu-C/C复合材料的检测步骤为：材料烧蚀前后厚度变化采用外径千分尺测量，质量损失采用FA210型分析天秤测量，物相变化采用Dmax250型全自动转靶X射线衍射仪分析，...

【专利技术属性】
技术研发人员：高明超，
申请(专利权)人：沈阳东青科技有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21