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一种夹层结构C/C超高温陶瓷复合材料及其制备方法技术

技术编号:31011535 阅读:20 留言:0更新日期:2021-11-30 00:39
本发明专利技术涉及陶瓷复合材料制备技术领域,具体涉及一种夹层结构C/C超高温陶瓷复合材料及其制备方法。所述制备方法具体包括:将短纤维铺展在碳纤维预制体的两侧,采用针刺工艺制备夹层纤维预制体;将所述夹层纤维预制体置于化学气相沉积炉中,采用化学气相沉积法沉积热解炭或碳化硅中的一种或两种,获得夹层结构C/C多孔骨架;采用先驱体浸渍

【技术实现步骤摘要】
一种夹层结构C/C超高温陶瓷复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及陶瓷复合材料制备
,具体涉及一种夹层结构C/C超高温陶瓷复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]C/C复合材料具有密度低、比强度高、耐腐蚀、抗热震、高温稳定性好等特性,尤其是在≤2300℃的高温环境中,其力学性能不降反升;因此C/C复合材料独特的高温性能使其在航空航天领域受到了特别的关注。目前,它已成为理想的高温结构材料,在航空航天领域存在巨大的应用潜力。炭材料在有氧环境下,高于400℃便开始氧化,且氧化速率随温度快速增加,从而导致材料结构被破坏,性能下降严重。因此,C/C复合材料在有氧环境中易氧化的缺点制约了其工程化应用推广。
[0003]超高温陶瓷(UHTC)基体改性是提高C/C复合材料高温抗氧化耐烧蚀性能的有效方法。目前采用的超高温陶瓷基体改性技术包括化学气相渗透、高温熔渗反应、先驱体浸渍裂解、料浆浸渍改性等。因难熔金属铪、锆、钽的前驱体分子量较大,化学气相渗透过程中,较难实现HfC、ZrC、TaC的均匀渗透,且易在表层发生封孔现象,因此应用推广受到一定的限制。料浆浸渍改性法虽然可以将超细陶瓷颗粒引入C/C多孔骨架中,但引入的陶瓷颗粒在基体中分布不均匀,且浸渍过程中易产生封孔现象,阻碍了后续材料的进一步致密化。先驱体浸渍裂解与高温熔渗反应技术虽然已日趋成熟,但同样存在缺点。先驱体浸渍裂解工艺存在周期长、成本高等缺点,且目前开发的超高温陶瓷先驱体裂解后陶瓷收得率低且含有一定的炭相,因此,导致制备的材料中,实际超高温陶瓷含量较低,材料的高温耐烧蚀性能提高程度有限。高温熔渗反应虽然能制备高陶瓷相含量的C/C超高温陶瓷复合材料,但熔渗过程中,由于熔渗料与炭基体反应不充分,制备的陶瓷基体中往往存在熔渗残余单质相(如Si、Zr等),这些低熔点的残余单质相往往成为烧蚀的薄弱环节,影响了材料耐烧蚀性能的进一步提高。

技术实现思路

[0004]针对上述技术问题,提高复合材料的超高温陶瓷相含量,进一步提升材料的高温耐烧蚀性能,本专利技术通过对超高温陶瓷碳纤维基体进行改进,形成内密外疏的夹层碳纤维预制体,再通过碳沉积以及超高温陶瓷材料的引入获得包括C/C超高温陶瓷内层及高含量超高温陶瓷外层,该夹层结构实现了超高温陶瓷外层优异耐烧蚀性能与C/C超高温陶瓷内层良好高温力学性能的融合,且外层陶瓷结构中含有碳纤维,显著提高了陶瓷外层的抗热震性能。
[0005]针对上述目的,本专利技术实施例提供了一种夹层结构C/C超高温陶瓷复合材料的制备方法,所述制备方法具体包括以下步骤:S1:将短纤维铺展在碳纤维预制体的两侧,采用针刺工艺制备获得“短纤维层+普通碳纤维层+短纤维层”夹层纤维预制体;
S2:将所述夹层纤维预制体置于化学气相沉积炉中,采用化学气相沉积法沉积热解炭或碳化硅中的一种或两种,获得夹层结构C/C多孔骨架;S3:采用先驱体浸渍

裂解、化学气相沉积或高温熔渗反应中的一种或多种昂方法,将超高温陶瓷相引入至所述夹层结构C/C多孔骨架,获得夹层结构C/C超高温陶瓷复合材料。
[0006]进一步的,所述碳纤维预制体为碳纤维编织或缠绕体,具体为碳布叠层、针刺毡、穿刺三维、针刺和缝合结构的多维纤维预制体。
[0007]进一步的,所述夹层纤维预制体中短纤维层的体积密度低于普通碳纤维层,短纤维层的体积密度≤0.3 g/cm3。
[0008]进一步的,所述短纤维的纤维长度为2

15cm。
[0009]进一步的,所述短纤维层的厚度为0.2

10mm。
[0010]进一步的,所述步骤S2中采用化学气相沉积法沉积热解炭过程具体包括:以丙烯为碳源气体,氮气为载气,沉积压力≤10KPa,沉积温度为850~1100℃。
[0011]所述步骤S2中采用化学气相沉积法沉积碳化硅过程具体包括:以三氯甲基硅烷为先驱体原料,以氢气为载气通过鼓泡方式将三氯甲基硅烷蒸汽带入混合罐中,Ar和氢气作为稀释气体,沉积压力≤1KPa,沉积温度为1150℃。
[0012]进一步的,所述超高温陶瓷为SiC、ZrC、HfC、TaC、ZrB2、HfB2中的一种或多种。
[0013]进一步的,所述步骤S3中先驱体浸渍

裂解方法具体为:以超高温陶瓷前驱体为浸渍剂,将所述C/C多孔骨架进行反复浸渍、烘干以及高温裂解;在所述浸渍

裂解过程中出现结壳封孔现象时,进行开孔处理,再进行下一轮浸渍、烘干以及高温裂解。
[0014]所述步骤S3中高温熔渗过程具体为:以锆、铪、硅金属或其合金中的一种或多种为熔渗剂,通过熔渗反应在C/C多孔骨架内形成超高温陶瓷相;抽真空至0.8kPa以下,以2℃/min~15℃/min的升温速率升温至1400~2300℃,保温≥0.5h以上后自然降温至室温。
[0015]基于同一专利技术构思的,一种夹层结构C/C超高温陶瓷复合材料,,所述复合材料由上述述的制备方法制备获得。
[0016]进一步的,所述复合材料包括C/C超高温陶瓷内层和高含量超高温陶瓷外层,所述高含量超高温陶瓷外层厚度为0.2

7mm。
[0017]有益效果:(1)本专利技术通过制备夹层结构碳纤维预制体,将短纤维铺展在普通碳纤维预制体的两侧,形成内外层密度完全不同的夹层结构,经后续化学气相沉积和高温陶瓷的引入,使得超高温陶瓷相在外层中的含量提升,从而起到了类似超高温陶瓷涂层的抗氧化耐烧蚀防护效果,且超高温陶瓷外层的厚度可达0.2

7mm,较普通超高温陶瓷涂层厚,在提高涂层抗热震性能的同时,能够显著提高复合材料的耐烧蚀性能,尤其是在动态燃气冲刷条件下的服役寿命。
[0018](2)夹层结构C/C超高温陶瓷复合材料实现了超高温陶瓷外层优异耐烧蚀性能与C/C超高温陶瓷内层良好高温力学性能的融合,在保证C/C内层良好的高温力学性能的同时,有效解决了材料高温耐烧蚀性能不足的问题。
[0019](3)夹层结构C/C超高温陶瓷复合材料中的超高温陶瓷外层通过纤维针刺与内层相连,且由于短纤维增强增韧作用,因此与普通的超高温陶瓷涂层相比,外层具有更好的结
合性能与高温抗热震性能,克服了现有超高温陶瓷涂层抗热震与结合性能的不足。
[0020](4)本专利技术的夹层结构C/C超高温陶瓷复合材料的制备方法适合于工业化生产,该方法具有结构可控(内外层厚度可调控)、可制备大尺寸、形状复杂异形件等优点。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例1提供的夹层结构C/C

ZrC

SiC复合材料微观形貌图;其中(a)为夹层结构C/C

ZrC

SiC复合材料超高温陶瓷外层及内层微观形貌图;(b)为夹层结构C/C

ZrC

SiC复合材料外层中短纤维和ZrC

SiC陶瓷相的形貌图本文档来自技高网
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种夹层结构C/C超高温陶瓷复合材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法具体包括以下步骤:S1:将短纤维铺展在碳纤维预制体的两侧,采用针刺工艺制备获得“短纤维层+普通碳纤维层+短纤维层”夹层纤维预制体;所述夹层纤维预制体中短纤维层的体积密度低于普通碳纤维层,短纤维层的体积密度≤0.3 g/cm3;所述短纤维的纤维长度为2

15cm;所述短纤维层的厚度为0.2

10mm;S2:将所述夹层纤维预制体置于化学气相沉积炉中,采用化学气相沉积法沉积热解炭或碳化硅中的一种或两种,获得夹层结构C/C多孔骨架;S3:采用先驱体浸渍

裂解、化学气相沉积或高温熔渗反应中的一种或多种方法,将超高温陶瓷相引入至所述夹层结构C/C多孔骨架,获得夹层结构C/C超高温陶瓷复合材料。2.根据权利要求1所述的夹层结构C/C超高温陶瓷复合材料的制备方法,其特征在于,所述碳纤维预制体为碳纤维编织或缠绕体,具体为碳布叠层、针刺毡、穿刺三维、针刺和缝合结构的多维纤维预制体。3.根据权利要求1所述的夹层结构C/C超高温陶瓷复合材料的制备方法,其特征在于,所述短纤维的纤维长度为2

15cm。4.根据权利要求1所述的夹层结构C/C超高温陶瓷复合材料的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中采用化学气相沉积法沉积热解炭过程具体包括:以丙烯为碳源气体,氮气为载气,沉积压力≤10KPa,沉积温度为850~1100℃;所述步骤S2中采用化...

【专利技术属性】
技术研发人员:杨鑫石安红方存谦黄启忠
申请(专利权)人:中南大学
类型:发明
国别省市:

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