碳纤维-碳化锆复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种碳纤维‑碳化锆复合材料及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：原材料准备步骤，提供碳化锆纳米粉体和碳化锆前驱体溶胶；碳化锆浆料的制备步骤，将所述碳化锆纳米粉体、分散剂、以及去离子水配置成固相体积含量为50～57vol.％的碳化锆浆料；碳化锆涂覆步骤，将所述碳化锆浆料涂覆在碳纤维编织体上以使其增密，并在真空干燥箱中干燥，得到涂覆有碳化锆的碳纤维编织体；浸渍步骤，将所述涂覆有碳化锆的碳纤维编织体浸渍在所述碳化锆前驱体溶胶中10～60min；裂解步骤，将所述浸渍后的碳纤维编织体取出在真空干燥箱中干燥，此后放入烧结炉中在惰性气体气氛中在1400～1600℃下裂解并保温0.5～2h，然后随炉冷却至室温，得到所述碳纤维‑碳化锆复合材料。

Carbon fiber zirconium carbide composite and its preparation

The invention provides a carbon fiber \u2011 zirconium carbide composite material and a preparation method thereof. The preparation method comprises the following steps: raw material preparation step, providing zirconium carbide nano powder and zirconium carbide precursor sol; preparation step of zirconium carbide slurry, preparing the zirconium carbide nano powder, dispersant and deionized water into zirconium carbide with solid volume content of 50-57 vol.% Slurry; zirconium carbide coating step, coating the zirconium carbide slurry on the carbon fiber braid to make it denser, and drying in a vacuum drying oven to obtain a carbon fiber braid coated with zirconium carbide; impregnation step, impregnating the zirconium carbide coated carbon fiber braid in the zirconium carbide precursor sol for 10-60min; cracking step, impregnating the carbon fiber The braid is taken out and dried in a vacuum drying oven, then it is put into a sintering furnace, cracked in an inert gas atmosphere at 1400-1600 \u2103 and kept for 0.5-2h, and then cooled to room temperature with the furnace to obtain the carbon fiber zirconium carbide composite.

【技术实现步骤摘要】
碳纤维-碳化锆复合材料及其制备方法
本专利技术属于新材料
，具体涉及碳纤维-碳化锆复合材料及其制备方法。
技术介绍
高新材料是衡量一个国家经济、技术、国防等发展的重要标志。21世纪以来，世界各国都把具有高速度、高强度和高可靠性的高超音速飞行器作为主要研究方向，而这种以航天飞机、战略导弹和运载火箭为代表的高超音速飞行器的发展必将对国家的安全起着决定性作用，同时也对超高温材料的耐高温、力学性能和抗烧蚀性能提出了更高的要求。超高温材料是指能够在2000℃以上高温正常工作的材料，主要包括难熔金属材料(锆、铪、钽、钨、钼等)、石墨材料、碳碳复合材料和超高温陶瓷及其复合材料等。但由于难熔金属材料密度大、高温下易氧化，石墨材料强度在2500℃以上高温逐渐下降，碳碳复合材料抗氧化性太差等原因都不能得到广泛使用。超高温陶瓷主要包括难熔金属的碳化物、氮化物和硼化物，具有强度高、模量高、抗烧蚀性好等多方面的优点，通过加入纤维弥补断裂韧性方面的不足，可获得性能优异的超高温陶瓷基复合材料。纤维在很大程度上决定了超高温陶瓷基复合材料最终的性能，目前商业化生产的纤维主要有玻璃纤维(Gf)、石英纤维、碳化硅纤维和碳纤维等，但是由于玻璃纤维、石英纤维和碳化硅纤维的结构在超高温环境中容易发生变化，导致其性能急剧下降而不能使用。而碳纤维具有密度低、强度高、断裂韧性好的特点，能够在超高温环境中保持稳定，是目前唯一能在超高温环境中使用的商用纤维。因此，采用碳纤维增强超高温陶瓷可以使其优势互补，不但具有碳纤维密度低、断裂韧性高的的优点，而且具有超高温陶瓷力学性能高和抗热蚀好的特点，从而满足在超高温环境中的使用要求。同时，超高温陶瓷又因为物理和化学性质的显著差异导致其在纤维增强超高温陶瓷基复合材料中的应用存在明显的不同。钽化合物密度比较大，而且在氧化环境中的抗烧蚀性能比铪化合物和锆化合物差。铪化合物虽然与锆化合物的性质非常接近，但是由于其含量少、价格昂贵、密度大等原因限制了应用范围。目前碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料的基体研究主要为锆化合物，尤其是碳化锆(ZrC)。但是由于碳纤维增强ZrC复合材料的相关技术涉密，因此很少有关于此方面的报道。制备方法是影响超高温陶瓷基复合材料性能的另一个关键因素，决定了基体的均匀性和致密度、纤维的分布状态以及基体与纤维之间的界面结合情况。目前，超高温陶瓷基复合材料制备方法主要有化学气相渗透法(Chemicalvaporinfiltration,CVI)、金属熔融浸渗法(Reactivemeltinginfiltration,RMI)等。化学气相渗透法能够在较低温度下制备出形状复杂和净尺寸的超高温陶瓷基体材料，但是存在致密度低、生产周期长和制备成本高的缺点。金属熔融浸渗法是将熔融金属渗入多孔预制件中，然后与预制件或气氛环境反应生成陶瓷基体，具有生产周期短，可制备形状复杂、净尺寸超高温陶瓷基体材料的优点，但是其制备温度高、金属熔体易与纤维反应而降低纤维性能并且造成金属残留。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种致密度高、生产周期短、成本低、弯曲强度和断裂韧性高，抗热蚀性能好的碳纤维-碳化锆复合材料的制备方法。本专利技术的另一个目的在于提供一种碳纤维-碳化锆复合材料。为了达到上述目的，本专利技术人对于经过反复研究发现，前驱体浸渍裂解法是在真空或压力状态下使超高温陶瓷前驱体渗入预制件，先后经过交联和裂解工艺使前驱体转化为陶瓷基体，重复其浸渍-交联-裂解过程而最终得到性能优异的超高温陶瓷基复合材料。该方法工艺简单、制备温度低、可制备出形状复杂和净尺寸构件的优异特点将必然导致其在超高温陶瓷基复合材料的广泛应用。另外，本专利技术人等还发现，能否成功制备出高性能超高温陶瓷基复合材料的关键之处在于能否获得合适的超高温陶瓷前驱体，并在此基础上对超高温陶瓷前驱体进行了深入研究。超高温陶瓷前驱体的研究主要分为两种方法。一种方法是通过化学反应合成难熔金属有机聚合物前驱体，该前驱体含有M-C或M-B(M：Zr、Hf、Ta等)等化学键，经裂解后可直接形成MC或MB超高温陶瓷；另一种方法是采用溶胶-凝胶法制备多组分混合的前驱体，该前驱体通过溶胶-凝胶、交联、裂解得到含有难熔金属、碳、硼或氮等元素的混合物，再经高温反应，得到所需的超高温陶瓷。采用第一种方法合成难熔金属的有机聚合物比较困难。另一方面，溶胶-凝胶法可以合成分子级别均匀的前驱体，并在溶胶-凝胶、交联和裂解等过程中不产生分相以及析晶等现象，因此利用此方法制备碳纤维/碳化锆复合材料，可以具有优异的性能。但是，目前采用溶胶-凝胶法制备碳化锆前驱体存在使用原料繁多、生产工艺复杂、实验条件苛刻的缺点以及采用前驱体浸渍裂解法制备碳纤维/碳化锆复合材料存在PIP重复次数太多、复合材料致密度不高、抗热蚀能力差等不足，亟待简化生产工艺、提高复合材料性能。在上述发现的基础上，本专利技术经过深入反复研究，完成了本专利技术。根据本专利技术第一方面，提供一种碳纤维-碳化锆复合材料的制备方法，包括如下步骤：原材料准备步骤，提供碳化锆纳米粉体和碳化锆前驱体溶胶；碳化锆浆料的制备步骤，将所述碳化锆纳米粉体、分散剂、以及去离子水配置成固相体积含量为50～57vol.％的碳化锆浆料；碳化锆涂覆步骤，将所述碳化锆浆料涂覆在碳纤维编织体上以使其增密，并在真空干燥箱中干燥，得到涂覆有碳化锆的碳纤维编织体；浸渍步骤，将所述涂覆有碳化锆的碳纤维编织体浸渍在所述碳化锆前驱体溶胶中10～60min；裂解步骤，将所述浸渍后的碳纤维编织体取出在真空干燥箱中干燥，此后放入烧结炉中在惰性气体气氛中在1400～1600℃下裂解并保温0.5～2h，然后随炉冷却至室温，得到所述碳纤维-碳化锆复合材料。进一步地，该制备方法还可以包括如下步骤：致密化步骤，重复操作所述浸渍步骤和裂解步骤3～4次，以提高碳纤维-碳化锆复合材料的致密度。其中，所述碳化锆前驱体溶胶可以通过下述制备方法制备：将锆化合物和碳化合物在惰性气体气氛中称量后放入锥形瓶中，配制成混合溶液；油浴加热2～5小时后，加入去离子水，并在80～120℃的温度下继续搅拌2～5小时得到所述碳化锆前驱体溶胶。进一步地，所述碳化锆纳米粉体可以由所述碳化锆前驱体溶胶制备得到，其制备方法可以包括：将所述碳化锆前驱体溶胶放置于烧结炉内，在惰性气体气氛中在200～400℃的温度下进行化学交联1～3h；此后，继续以5～10℃/min的速率升温至1400～1600℃进行裂解并保温0.5～2h，随后自然冷却，得到所述碳化锆纳米粉体。其中，所述锆化合物与所述碳化合物的摩尔比为1：2～4，所述去离子水与所述锆化合物的摩尔比为1～3：1。优选地，所述锆化合物为锆酸四丁酯或氧氯化锆或其混合物，所述碳化合物为乙酰丙酮、苯甲酰丙酮、1,3-二苯基-1,3-丙二酮或其混合物。优选地，所述分散剂为聚丙烯酸、聚乙二醇、聚醚酰亚胺或其混合物，所述分散剂在所述碳化锆浆料中的含本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维-碳化锆复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n原材料准备步骤，提供碳化锆纳米粉体和碳化锆前驱体溶胶；/n碳化锆浆料的制备步骤，将所述碳化锆纳米粉体、分散剂、以及去离子水配置成固相体积含量为50～57vol.％的碳化锆浆料；/n碳化锆涂覆步骤，将所述碳化锆浆料涂覆在碳纤维编织体上以使其增密，并在真空干燥箱中干燥，得到涂覆有碳化锆的碳纤维编织体；/n浸渍步骤，将所述涂覆有碳化锆的碳纤维编织体浸渍在所述碳化锆前驱体溶胶中10～60min；/n裂解步骤，将所述浸渍步骤后的碳纤维编织体取出，在真空干燥箱中干燥，此后放入烧结炉中在惰性气体气氛中在1400～1600℃下裂解并保温0.5～2h，然后随炉冷却至室温，得到所述碳纤维-碳化锆复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维-碳化锆复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
原材料准备步骤，提供碳化锆纳米粉体和碳化锆前驱体溶胶；
碳化锆浆料的制备步骤，将所述碳化锆纳米粉体、分散剂、以及去离子水配置成固相体积含量为50～57vol.％的碳化锆浆料；
碳化锆涂覆步骤，将所述碳化锆浆料涂覆在碳纤维编织体上以使其增密，并在真空干燥箱中干燥，得到涂覆有碳化锆的碳纤维编织体；
浸渍步骤，将所述涂覆有碳化锆的碳纤维编织体浸渍在所述碳化锆前驱体溶胶中10～60min；
裂解步骤，将所述浸渍步骤后的碳纤维编织体取出，在真空干燥箱中干燥，此后放入烧结炉中在惰性气体气氛中在1400～1600℃下裂解并保温0.5～2h，然后随炉冷却至室温，得到所述碳纤维-碳化锆复合材料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：
致密化步骤，重复操作所述浸渍步骤和裂解步骤3～4次，以提高碳纤维-碳化锆复合材料的致密度。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化锆前驱体溶胶的制备方法包括：
将锆化合物和碳化合物在惰性气体气氛中称量后放入锥形瓶中，配制成混合溶液；
油浴加热2～5小时后，加入去离子水，并在80～120℃的温度下继续搅拌2～5小时得到所述碳化锆前驱体溶胶。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碳化锆纳米粉体由所述碳化锆前驱体溶胶制备得到，其制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵林，于美玲，魏红康，郎莹，
申请(专利权)人：景德镇陶瓷大学，
类型：发明
国别省市：江西;36