一种陶瓷涂层防护梯度碳陶复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种陶瓷涂层防护梯度碳陶复合材料及其制备方法，陶瓷涂层防护梯度碳陶复合材料包括：梯度碳陶复合材料，其表面设置有内凹结构；梯度碳陶复合材料为梯度C/C

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷涂层防护梯度碳陶复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及碳陶复合材料领域，具体涉及一种陶瓷涂层防护梯度碳陶复合料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着航空航天技术的迅猛发展，高超声速飞行器成为现阶段航空航天领域研究的重点。由于高超声速飞行器的飞行速度可以高达马赫数5以上，加上其飞行时表面会产生强烈的气动加热和高速粒子冲蚀，从而导致在其飞行过程中，某些部位的表面温度可以高达2000℃以上，因此，高超声速飞行器对其制备材料的耐温极限、抗高温氧化和高速气流冲刷下的强韧性等的要求较为严苛。设计和制备出具有良好的高温抗烧蚀性、抗热震性并能保持良好高温强度、零部件结构和尺寸的完整性的热防护材料，是新型飞行器的关键。
[0003]C/C复合材料具有轻质高强、高热导率，特别是高温力学性能好的特点，可满足空天环境关键热结构件的力学要求，但是其在高温有氧环境中容易发生力学性能退化，超高温陶瓷（UHTCs）具有熔点高、热膨胀系数小、热稳定性好等优点，可以被用来改性C/C复合材料。但是，针对目前研究的超高温陶瓷改性C/C复合材料而言，其形成的多为均质超高温陶瓷改性C/C复合材料，具有整体均一性，在烧蚀的前端和后端组成成分一致，而实际空天环境飞行过程中，飞行器的飞行轨迹呈现台阶式，飞行器前缘的表面部分在短时间内承受极高温氧化环境，但在其余时间段以及材料的后部及内部区域受烧蚀并不严重，主要处于中低温氧化环境，即热防护材料所使用的环境温度是呈梯度变化的，这就要求热防护材料在近烧蚀端具备稳定而优异的超高温耐烧蚀、抗氧化性能，而在远烧蚀端，耐温极限可以明显降低，同时，为了避免烧蚀面上温度聚集而影响其热稳定性，防护材料需要具备高热导率的本征特性。也就是说，均质超高温陶瓷改性C/C复合材料并不能很好满足热防护材料不同区域的需求。因此，要想进一步提高复合材料的抗烧蚀性能和满足使用需求，同时实现复合材料轻量化要求，需要对超高温陶瓷改性C/C复合材料进行组分和组分分布设计，即形成组分和含量呈梯度变化的梯度超高温陶瓷改性C/C复合材料。
[0004]目前，制备梯度超高温陶瓷改性C/C复合材料最常用的方法为改良反应熔渗法。通过控制熔渗料的铺放方式、或熔渗工艺中粉料成分设计实行多次熔渗工艺达到陶瓷分布的梯度化。但是无论是采取何种工艺，该类反应熔渗法制备的复合材料致密度、表面孔隙率、陶瓷裸露碳纤维问题、陶瓷相分布的均一性问题均不能得到有效保障。因此，要想充分利用梯度碳陶复合材料的优良高温力学性能和相对较好的抗烧蚀性能，并在此基础之上再次提高复合材料的抗烧蚀和抗氧化性能以及优良的抗机械冲刷性能时，必须在梯度碳陶复合材料表层制备出针对该服役要求的特定超高温陶瓷涂层。
[0005]目前，传统的超高温陶瓷涂层是通过刷涂、化学气相沉积、包埋法、等离子喷涂等化学或物理手段直接在基体表面上涂覆或生长而形成的二维平面陶瓷涂层。由于梯度碳陶复合材料是一种各向异性材料，其热膨胀系数在方向上存在较大的差异，而二维平面陶瓷涂层往往相对均匀，因此，梯度碳陶复合材料与二维平面陶瓷涂层之间热膨胀系数的分布
差异会导致二维平面陶瓷涂层的热膨胀系数难以与梯度碳陶复合材料的热膨胀系数相匹配，进而导致在材料烧蚀过程中，当温度剧烈变化，涂层与梯度碳陶复合材料的结合处会形成较大的热应力并导致裂纹产生，严重的还会导致涂层开裂或整块剥蚀，最终导致涂层保护失效。

技术实现思路

[0006]因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中在二维平面陶瓷涂层容易发生涂层保护失效的缺陷从而提供一种陶瓷涂层防护梯度碳陶复合料及其制备方法。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种陶瓷涂层防护梯度碳陶复合材料，包括：梯度碳陶复合材料，其表面设置有内凹结构；所述梯度碳陶复合材料为梯度C/C
‑
ZrC
‑
SiC复合材料；以及，超高温陶瓷涂层，沿所述梯度碳陶复合材料表面及内凹结构内壁面连续设置；所述超高温陶瓷涂层是由难溶金属沿所述梯度碳陶复合材料表面扩散及下渗，并与所述梯度碳陶复合材料表面反应所形成的难溶金属碳化物涂层。
[0008]可选的，所述陶瓷涂层厚度为100
‑
300μm。
[0009]可选的，所述内凹结构包括矩形孔、圆形孔、正交网格中的至少一种；所述矩形孔的短边边长为3
‑
5mm，长边长为所述梯度碳陶复合材料对应位置长度的70
‑
80%,深度为所述梯度碳陶复合材料厚度的10%
‑
40%，分布密度为15
‑
30%；所述圆形孔的孔径为Φ5
‑
10mm，深度为所述梯度碳陶复合材料厚度的30
‑
70%，分布密度为5
‑
20%，所述正交网格由长方形内凹槽正交而成，所述长方形的短边长为3
‑
5mm，长方形的长边长为所述梯度碳陶复合材料对应位置长度的60
‑
80%，长方形的间距为5
‑
10mm，深度为所述梯度碳陶复合材料厚度的30
‑
50%。
[0010]可选的，所述内凹结构在梯度碳陶复合材料表面单面分布或双面分布。
[0011]本专利技术还提供一种制备如上述所有方案中任一项所述的陶瓷涂层防护梯度碳陶复合材料的方法，包括以下步骤：在梯度碳陶复合材料表面形成内凹结构；在所述内凹结构内填充预成型陶瓷涂层所需金属材料；在真空下加热所述填充有预成型陶瓷涂层所需金属材料的梯度碳陶复合材料，使所述金属材料熔化并部分溢出所述内凹结构并下渗至梯度碳陶复合材料内形成陶瓷涂层。
[0012]可选的，所述金属材料为混合粉末或合金块。
[0013]可选的，所述金属材料满足以下特性：a、不包含硅元素；b、包含钒元素和/或难熔金属元素，所述难熔金属元素包括钨、钼、铌、钽、锆、铪中的至少一种。
[0014]可选的，所述钒元素与难熔金属元素在金属材料中以单质形式存在或化合物形式存在。
[0015]可选的，所述金属材料为ZrV2或HfV2合金块。
[0016]可选的，所述金属材料包含钒粉末与难熔金属粉末，所述钒粉末与难熔金属粉末的添加比例满足钒粉末与难熔金属粉末可形成低熔点钒化物。
[0017]可选的，所述金属材料包含钒粉末与Zr粉末，Zr粉末与V粉末的添加质量比为（4
‑
3）：（1
‑
2）。
[0018]可选的，所述金属材料包含钒粉末与Hf粉末，Hf粉末与V粉末的添加质量比为（4
‑
1）：1。可选的，所述金属材料为钒与难熔金属预先烧结致密化形成的合金块，所述加热步骤包括：将述填充有预成型陶瓷涂层所需金属材料的梯度碳陶复合材料按20
‑
30℃/min的速率梯度升温至溢渗温度并保温，所述溢渗温度为合金块熔点+（300
‑
500）℃。
[0019]可选的，所述金属材料为钒与难熔金属的混合粉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷涂层防护梯度碳陶复合材料，其特征在于，包括：梯度碳陶复合材料，其表面设置有内凹结构；所述梯度碳陶复合材料为梯度C/C
‑
ZrC
‑
SiC复合材料；以及，超高温陶瓷涂层，沿所述梯度碳陶复合材料表面及内凹结构内壁面连续设置；所述超高温陶瓷涂层是由难溶金属沿所述梯度碳陶复合材料表面扩散及下渗，并与所述梯度碳陶复合材料表面反应所形成的难溶金属碳化物涂层。2.根据权利要求1所述的陶瓷涂层防护梯度碳陶复合材料，其特征在于，所述内凹结构包括矩形孔、圆形孔、正交网格中的至少一种；所述矩形孔的短边边长为3
‑
5mm，长边长为所述梯度碳陶复合材料对应位置长度的70
‑
80%,深度为所述梯度碳陶复合材料厚度的10%
‑
40%，分布密度为15
‑
30%；所述圆形孔的孔径为Φ5
‑
10mm，深度为所述梯度碳陶复合材料厚度的30
‑
70%，分布密度为5
‑
20%，所述正交网格由长方形内凹槽正交而成，所述长方形的短边长为3
‑
5mm，长方形的长边长为所述梯度碳陶复合材料对应位置长度的60
‑
80%，长方形的间距为5
‑
10mm，深度为所述梯度碳陶复合材料厚度的30
‑
50%。3.根据权利要求1或2所述的陶瓷涂层防护梯度碳陶复合材料，其特征在于，所述内凹结构在梯度碳陶复合材料表面单面分布或双面分布。4.一种制备如权利要求1
‑
3中任一项所述的陶瓷涂层防护梯度碳陶复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：在梯度碳陶复合材料表面形成内凹结构；在所述内凹结构内填充预成型陶瓷涂层所需金属材料；在真空下加热所述填充有预成型陶瓷涂层所需金属材料的梯度碳陶复合材料，使所述金属材料熔化并部分溢出所述内凹结构并下渗至梯度碳陶复合材料内形成陶瓷涂层。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述金属材料满足以下特性：a、不包含硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙威，田甜，熊翔，张红波，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：