一种碳纤维增强碳-碳化硅-碳化锆复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纤维增强碳‑碳化硅‑碳化锆复合材料及其制备方法。所述方法：(1)在碳纤维预制体包含的碳纤维表面沉积热解碳基体，得改性碳纤维预制体；(2)配制硅粉、锆粉、石墨粉和酚醛树脂的质量比为(1～3)：(4～6)：5:100的混合树脂溶液；(3)用混合树脂溶液浸渍改性碳纤维预制体，然后使浸渍后的改性碳纤维预制体依次进行固化和碳化反应；碳化反应在惰性气氛中进行，碳化反应温度为1650～1750℃，时间为0.5～2h；(4)重复步骤(3)至少一次，制得所述复合材料。本发明专利技术能使得碳化硅、碳化锆在复合材料中均匀分布，降低游离金属含量低，提高材料的抗氧化、耐烧蚀性能。

A carbon fiber reinforced carbon silicon carbide zirconium carbide composite and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维增强碳-碳化硅-碳化锆复合材料及其制备方法
本专利技术属于复合材料制备
，尤其涉及一种碳纤维增强碳-碳化硅-碳化锆复合材料及其制备方法。
技术介绍
碳纤维增强陶瓷基复合材料具有抗氧化、质轻、抗热震、高温性能优异等特点，因而被广泛应用于航空、航天和汽车等领域。例如，碳纤维增强碳陶基(C/C-SiC)复合材料是一种新型高性能热结构材料，具有高比强、高比模、耐腐蚀、抗热震等优异性能，在航空航天等高新
具有非常大的应用潜力。但是随着服役环境的复杂化，对材料体系提出了更高的要求，且要求材料体系具有更强的可设计性。C/C-SiC复合材料在1600℃以上难以满足抗氧化、耐烧蚀的性能需求。为了进一步提高碳纤维增强陶瓷基复合材料的抗氧化性和烧蚀性能，在材料中引入超高温陶瓷相(例如难熔金属碳化物)是一种有效的方法。碳化锆属于典型难熔金属碳化物，其熔点高达3420℃，能使得材料具有优异的高温稳定性。目前，将制备碳纤维增强陶瓷基复合材料的工艺技术主要有3种：气相渗透法(CVI)、前驱体裂解法(PIP)及反应熔渗法(RMI)。CVI制备陶瓷基复合材料，陶瓷基体结晶度较高，但生产周期较长，且工艺控制难度大，不适合厚度超过5mm构件的制备。PIP制备陶瓷基复合材料的工艺窗口宽，陶瓷基体呈颗粒状，需求多轮次浸渍裂解过程。与CVI、PIP工艺相比，RMI工艺具有制备周期短、成本低、残余孔隙率低(2～5％)等优点，是一种非常具有市场竞争力的工业化生产技术。目前RMI工艺一般采用液态熔融金属浸渗C/C多孔体来获得陶瓷基复合材料，液态金属与C反应生成陶瓷基体，由于金属与碳基体的不均匀分布导致金属与碳基体无法实现充分反应。因此，RMI制备陶瓷基复合材料有大量游离金属单质和碳基体存在，影响陶瓷基复合材料的抗氧化、耐烧蚀性能。为了降低或避免RMI制备陶瓷基复合材料存在的大量游离金属，本专利技术提供了一种原位反应制备C/C-SiC-ZrC陶瓷基复合材料的新方法。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的技术问题，本专利技术提供了一种碳纤维增强碳-碳化硅-碳化锆复合材料及其制备方法。本专利技术方法能实现硅、锆和碳在复合材料中的均匀分布，原位反应生成碳化硅、碳化锆基体，能使得碳化硅、碳化锆基体在复合材料中均匀分布并降低复合材料中的游离金属含量。本专利技术制得的C/C-SiC-ZrC复合材料具有游离金属含量低、耐烧蚀性能优异等优点。为了实现上述目的，本专利技术在第一方面提供了一种碳纤维增强碳-碳化硅-碳化锆复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)在碳纤维预制体包含的碳纤维表面沉积热解碳基体，制得改性碳纤维预制体；(2)将硅粉、锆粉、石墨粉、酚醛树脂和有机溶剂配制成混合树脂溶液；所述混合树脂溶液中硅粉、锆粉、石墨粉和酚醛树脂的质量比为(1～3)：(4～6)：5:100；(3)用步骤(2)配制的混合树脂溶液浸渍步骤(1)制得的改性碳纤维预制体，然后使浸渍后的所述改性碳纤维预制体依次进行固化反应和碳化反应；所述碳化反应在惰性气氛中进行，所述碳化反应的温度为1650～1750℃，所述碳化反应的时间为0.5～2h；和(4)重复步骤(3)至少一次，制得碳纤维增强碳-碳化硅-碳化锆复合材料。优选地，在步骤(1)中，制得的改性碳纤维预制体的密度为0.8～1.2g/cm3。优选地，所述硅粉、所述锆粉和/或所述石墨粉的粒径不大于100nm。优选地，重复步骤(3)多次，直至所述碳纤维增强碳-碳化硅-碳化锆复合材料的增重小于1％。优选地，所述碳纤维预制体为碳纤维网胎针刺预制体或碳纤维碳毡预制体。优选地，所述酚醛树脂为氨酚醛树脂。优选地，所述有机溶剂选自由醇类有机溶剂、苯酚溶液和二甲苯组成的组。优选地，所述醇类有机溶剂选自由甲醇、乙醇、异丙醇和正丁醇组成的组。优选地，在步骤(3)中，所述浸渍的压力为-0.1～0MPa，所述浸渍的时间为0.5～4h；和/或在步骤(3)中，所述固化反应的温度为100～350℃，所述固化反应的压力为3～5MPa，所述固化反应的时间为1～5h。本专利技术在第二方面提供了由本专利技术在第一方面所述的制备方法制得的碳纤维增强碳-碳化硅-碳化锆复合材料。本专利技术与现有技术相比至少具有如下有益效果：(1)本专利技术方法选用全网胎针刺预制体或碳毡作为增强织物，极大的降低了复合材料制备成本，且可获得密度大于2.8g/cm3的高致密化复合材料，可应用于高温烧蚀、低承载部件。(2)本专利技术方法通过采用包含硅粉、锆粉、石墨粉和酚醛树脂的树脂溶液作为浸渍剂，并且控制所述的混合树脂溶液中硅粉、锆粉、碳粉和酚醛树脂质量比为(1～3)：(4～6)：5：100，能实现硅(Si)、锆(Zr)和碳(C)在复合材料中的均匀分布，能实现Si、Zr和C的充分原位反应使得碳化硅、碳化锆基体在复合材料中均匀分布，并且将所述的混合树脂溶液中硅粉、锆粉、碳粉和酚醛树脂质量比控制为(1～3)：(4～6)：5：100，能有效的利用碳化硅和碳化锆在高温下的协同抗氧化烧蚀效应，提高复合材料的抗烧蚀性能。(3)本专利技术方法在步骤(3)和步骤(4)中，每进行浸渍和固化反应一次都要进行碳化反应一次，能有效保证硅、锆和碳充分反应生成碳化硅、碳化锆基体，特别是能够使得金属粉与碳基体完全反应，避免发生重复浸渍后金属粉体堆积，降低了复合材料中的游离金属含量；同时，采用这种分次碳化反应可以提供复合材料的最终致密化程度，因为金属与碳基体反应后总体积会收缩，采用一次碳化反应会残留大量孔隙，分次碳化反应可以显著提高基体致密化程度和各元素的均匀分布以及复合材料的力学强度、抗氧化性、耐烧蚀性能。本专利技术制得的C/C-SiC-ZrC复合材料具有游离金属含量低、耐烧蚀性能优异等优点。(4)本专利技术方法具有工艺简单，制备周期短，易于工业化实施等优点。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术在第一方面提供了一种碳纤维增强碳-碳化硅-碳化锆复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)在碳纤维预制体包含的碳纤维表面沉积热解碳基体，制得改性碳纤维预制体(低密度C/C坯体)；在本专利技术中，例如采用化学气相渗透工艺(CVI)为碳纤维纯网胎针刺预制体或碳纤维碳毡的内部制备PyC基体(热解碳基体)，使得碳纤维预制体包含的碳纤维表面沉积有热解碳基体，获得密度为0.8～1.2g/cm3的低密度C/C坯体。(2)将硅粉、锆粉、石墨粉、酚醛树脂和有机溶剂配制成混合树脂溶液；所述混合树脂溶液中硅粉、锆粉、石墨粉和酚醛树脂的质量比为(1～3)：(4～6)：5:100(例如1:4:5:100、1:5:5:100、1:6:5:1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维增强碳-碳化硅-碳化锆复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：/n(1)在碳纤维预制体包含的碳纤维表面沉积热解碳基体，制得改性碳纤维预制体；/n(2)将硅粉、锆粉、石墨粉、酚醛树脂和有机溶剂配制成混合树脂溶液；所述混合树脂溶液中硅粉、锆粉、石墨粉和酚醛树脂的质量比为(1～3)：(4～6)：5:100；/n(3)用步骤(2)配制的混合树脂溶液浸渍步骤(1)制得的改性碳纤维预制体，然后使浸渍后的所述改性碳纤维预制体依次进行固化反应和碳化反应；所述碳化反应在惰性气氛中进行，所述碳化反应的温度为1650～1750℃，所述碳化反应的时间为0.5～2h；和/n(4)重复步骤(3)至少一次，制得碳纤维增强碳-碳化硅-碳化锆复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维增强碳-碳化硅-碳化锆复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)在碳纤维预制体包含的碳纤维表面沉积热解碳基体，制得改性碳纤维预制体；
(2)将硅粉、锆粉、石墨粉、酚醛树脂和有机溶剂配制成混合树脂溶液；所述混合树脂溶液中硅粉、锆粉、石墨粉和酚醛树脂的质量比为(1～3)：(4～6)：5:100；
(3)用步骤(2)配制的混合树脂溶液浸渍步骤(1)制得的改性碳纤维预制体，然后使浸渍后的所述改性碳纤维预制体依次进行固化反应和碳化反应；所述碳化反应在惰性气氛中进行，所述碳化反应的温度为1650～1750℃，所述碳化反应的时间为0.5～2h；和
(4)重复步骤(3)至少一次，制得碳纤维增强碳-碳化硅-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：
在步骤(1)中，制得的改性碳纤维预制体的密度为0.8～1.2g/cm3。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
所述硅粉、所述锆粉和/或所述石墨粉的粒径不大于100nm。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏，于新民，吴朝军，杨良伟，霍鹏飞，刘俊鹏，左红军，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11