一种熔盐熔渗材料、陶瓷界面改性材料和超高温陶瓷改性复合材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种熔盐熔渗材料，由超高温金属和反应性熔盐组成；所述超高温金属为Hf；所述反应性熔盐为K2ZrF6、K2TiF6和K2TaF7中的一种或几种。本发明专利技术针对传统反应熔渗C/C复合材料时，多元超高温陶瓷引入C/C基体难、渗入基体深度有限和超高温陶瓷偏聚性极大的问题，在远低于传统反应熔渗温度条件下即可实现多元超高温陶瓷改性C/C复合材料的制备；可实现C/C基体内超高温陶瓷界面层自由设计的目的；可在远低于Zr、Hf和Ta单质熔点的温度条件下熔渗。本发明专利技术还提供了一种陶瓷界面改性材料和超高温陶瓷改性复合材料及其制备方法。温陶瓷改性复合材料及其制备方法。温陶瓷改性复合材料及其制备方法。

【技术实现步骤摘要】
一种熔盐熔渗材料、陶瓷界面改性材料和超高温陶瓷改性复合材料的制备方法


[0001]本专利技术属于陶瓷材料
，尤其涉及一种熔盐熔渗材料、陶瓷界面改性材料和超高温陶瓷改性复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]超高温陶瓷改性C/C复合材料（C/C-UHTCs）具有耐超高温烧蚀（>2000℃）、抗氧化、优良的高温力学性能等优点，是极佳的航空航天关键热结构材料，广泛应用于超高声速飞行器的舵翼前缘、喉衬等部位。
[0003]C/C-UHTCs制备方法较多，如化学气相沉积法、浸渍-裂解法、反应熔渗法等等。但现有文献及报道表明，上述方法均存在极大的技术局限，限制其在领域内的发展。化学气相沉积法由于粉料输送困难，难以制备大型、异形C/C-UHTCs构件；而浸渍-裂解法制备繁琐，时间长，需要反复浸渍，成本高昂；反应熔渗法采用高温合金熔体或低温硅化物熔体引入C/C基体，合金熔体与碳相的剧烈反应易造成纤维的损伤，导致力学性能降低。因此，有必要开发成本更低、制备快捷和对纤维损伤小的C/C-HUTCs复合材料制备方法。
[0004]熔盐熔渗是一种新型的超高温陶瓷引入C/C复合材料的方法，是在反应熔渗的基础上的巨大改进。传统反应熔渗是利用携带有超高温金属组元的合金熔体作为载流体进入C/C多孔体，基体中的碳可以在合金熔体中发生扩散并相互反应形成碳化物。这也导致了熔渗过程强烈受合金熔体的粘度、合金熔体与碳润湿性、以及与碳相的反应速率等本征性质限制。当直接采用超高温合金熔体如（如Zr金属、Zr-Ti合金等）作为超高温金属的载流体，由于合金熔点高、熔体粘度大、熔渗温度超过2200℃，高温条件下熔体与碳的快速反应容易形成高熔点碳化物阻塞熔渗通道，导致复合材料难致密。前人采用Me-Si合金（Me=Zr、Hf等）熔体改善熔渗过程。硅系合金熔体相对于超高温合金熔体而言，其粘度和熔点均较低，在硅合金载流作用下，材料的致密度和低温抗氧化性可得到极大的提高。但Me-Si熔体的引入也会造成几个问题。首先，硅系合金同时载流原子质量相差大的超高温金属原子时，如采用Zr-Hf-Si合金或混合粉末反应熔渗C/C基体时，由于Zr（原子质量91.22g/mol）Hf（原子质量178.5g/mol），熔渗极易造成ZrHfC在C/C基体内部偏聚，自发形成部分区域富SiC相和富ZrHfC陶瓷相的问题，造成高温性能不稳定。其次，熔渗后也会在基体中残留低熔点硅化物，这些低熔相在高温应用中溢出或腐蚀相界面，造成材料性能降低。此外，Me-Si系合金熔渗还将造成热解炭(PyC)-陶瓷界面单一化，即形成PyC-SiC界面，这并不利于材料界面设计，同时也将限制复合材料在高温领域中的拓展应用。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种熔盐熔渗材料、陶瓷界面改性材料和超高温陶瓷改性复合材料的制备方法，本专利技术提供的陶瓷界面改性材料及超高温陶瓷改性复合材料的制备方法解决了反应熔渗必须依托低熔点硅系合金熔体作为超高温金属相的载流
体的问题和缺陷以及反应熔渗对多元超高温陶瓷引入C/C基体难、渗入基体深度有限和超高温陶瓷偏聚性极大的问题，通过高价态反应性熔盐作为新型C/C基体内超高温陶瓷相来源和载流体，直接实现低温条件下快速制备高致密度的多元超高温陶瓷改性C/C复合材料；而且通过熔盐解决了传统反应熔渗的热解炭-陶瓷界面结构不可控的问题，能够在碳碳基体内的界面上自由设计所需的陶瓷层及成分。
[0006]本专利技术提供了一种熔盐熔渗材料，由超高温金属和反应性熔盐组成；所述超高温金属为Hf；所述反应性熔盐为K2ZrF6、K2TiF6和K2TaF7中的一种或几种；所述超高温金属和反应性熔盐中的金属阳离子的原子比为1：（0.5~1.5）或2：（0.5~1.5）。
[0007]本专利技术提供了一种上述技术方案所述的熔盐熔渗材料的制备方法，包括：将超高温金属粉末和反应性熔盐粉末混合，得到熔盐熔渗材料；所述混合为通过罐磨机混合，所述混合的时间为10~15小时。
[0008]本专利技术提供了一种陶瓷界面改性材料的制备方法，具体为：将上述技术方案所述的熔盐熔渗材料包埋碳碳多孔体后，在氩气条件下以5~15℃/min升温至1200~1300℃，保温0.5~1.5h，以5~15℃/min升温至1500~1550℃，保温1~2h，随炉冷至室温，得到陶瓷界面改性材料。
[0009]本专利技术提供了一种超高温陶瓷改性复合材料的制备方法，具体为：将上述技术方案所述的熔盐熔渗材料包埋上述技术方案所述的方法制备得到的陶瓷界面改性材料后，在氩气条件下以5~15℃/min升温至1200~1300℃，保温1~2h，以5~15℃/min升温至1800~1900℃，保温1~2h，随炉冷至室温，得到超高温陶瓷改性复合材料。
[0010]本专利技术采用KxMeFy(Me=Zr、Ti、Ta等)低温熔盐离子熔体作为超高温金属离子的载流体，由于熔盐离子熔体的形成温度（<1000℃）普遍远低于Me-Si合金熔点温度（Si（熔点1410℃）、ZrSi2（1600℃）和HfSi2（1800℃）等），超高温金属离子与其他组元歧化反应析出细颗粒超高温金属，并随离子熔体进入C/C多孔体，最终在碳基体内形成碳化物，从而实现C/C基体内的超高温陶瓷低温引入。一方面，熔盐熔渗摆脱了必须依托Si系合金熔体才能实现较低温的超高温陶瓷引入C/C问题。另一方面，对比传统反应熔渗中存在C在合金熔体中的大量、快速扩散将导致热解炭层快速消耗，甚至导致高温熔体损伤纤维的情况，熔盐熔渗中碳扩散并不在离子熔体内发生扩散，其陶瓷物形成过程主要以碳为基板，实现超高温金属颗粒的发生吸附和反应，在这个过程中，热解碳层的消耗极低，对纤维的损伤也小。
[0011]本专利技术中，熔盐熔渗在C/C基体内的热解炭-陶瓷界面设计上还具有独特的优势。传统反应熔渗由于合金熔体在C/C基体内快速碳化阻塞熔渗通道和陶瓷相在C/C基体内自发形成微观梯度偏析等问题，在陶瓷-热解碳界面上的可控性及设计性都很差。而熔盐熔渗由于离子熔体具有可分解性和可挥发性，并不会阻塞熔渗通道，有利于基体后续多次的致密化过程。所以，可通过熔体载流体的成分设计和多步熔渗工艺控制，在C/C基体内热解炭界面上实现多次、不同成分陶瓷相的引入。因此，熔盐熔渗可实现热解碳界面的陶瓷层成分的自由设计，这是传统反应熔渗无法达到的。
附图说明
[0012]图1为本专利技术实施例1制备的具有ZrHfC界面层的陶瓷改性C/C复合材料（陶瓷界面改性材料）的背散射扫描电镜照片(SEM)图；图2为本专利技术实施例1制备的具有ZrHfC界面层的陶瓷改性C/C复合材料（陶瓷界面改性材料）的背散射扫描电镜照片图的局部放大图；图3为本专利技术实施例1制备的具有ZrHfC界面层的陶瓷改性C/C复合材料（陶瓷界面改性材料）的背散射扫描电镜照片图的局部放大图中白色陶瓷层的能谱图；图4为本专利技术实施例2制备的TaC-ZrC-HfC陶瓷改性C/C复合材料的（超高温陶瓷改性复合材料）背散射扫描电镜照片图；图5为本专利技术实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种熔盐熔渗材料，由超高温金属和反应性熔盐组成；所述超高温金属为Hf；所述反应性熔盐为K2ZrF6、K2TiF6和K2TaF7中的一种或几种；所述超高温金属和反应性熔盐中的金属阳离子的原子比为1：（0.5~1.5）或2：（0.5~1.5）。2.一种权利要求1所述的熔盐熔渗材料的制备方法，包括：将超高温金属粉末和反应性熔盐粉末混合，得到熔盐熔渗材料；所述混合为通过罐磨机混合，所述混合的时间为10~15小时。3.一种陶瓷界面改性材料的制备方法，具体为：将权利要求1所述的熔盐熔渗材料包埋碳碳多孔体后，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙威，徐永龙，熊翔，张红波，曾毅，陈招科，王雅雷，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：