一种梯度密度碳-陶瓷复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种梯度密度碳

【技术实现步骤摘要】
一种梯度密度碳
‑
陶瓷复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及热防护材料
，特别涉及一种梯度密度碳
‑
陶瓷复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]传统的C/C及C/SiC增强复合热防护材料存在构件重量大、制造周期长、制造成本高等缺点，并且碳基材料易氧化的特性也限制了该类热防护材料在高温环境下长时间应用的可靠性。因此，美国的超速飞行器大多采用石英和氧化铝纤维为主体的轻质刚性隔热瓦作为大面积的隔热结构，但陶瓷纤维的耐温性能较差，使得该类材料在高温环境下力学性能显著变差，即使复合高温涂层也难以在1400℃以上的环境中长期使用。
[0003]美国专利技术专利US7314648B1公开了一种TUFROC的增韧一体化纤维增强抗氧化构件，该构件利用涂覆有涂层的碳纤维/陶瓷复合面板作为主要的耐高温与维型承力结构，使该构件的极限耐高温温度达到1700℃。TUFROC作为端头、翼前缘和舵轴部位的热防护构件已成功应用于美国X
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37B飞行器上，验证了该耐高温面板材料在解决超高速飞行器在极端部位的热防护需求的巨大潜力。
[0004]根据上述专利披露，TUFROC构件的耐高温面板材料中含有一定化学计量比的Si
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O
‑
C陶瓷相，但在超过1500℃的高温环境下氧元素会与碳纤维基体发生的碳热还原反应，使耐高温面板材料的结构变得不稳定；此外，由于高密度的耐高温面板的热传导系数较高，因此需要提高耐高温面板材料的厚度以匹配与其低温段相连接的隔热材料的耐温能力，但这会使得整体构件的重量增大。针对以上问题，因此有必要开发一种在高温环境下(＞1500℃)热稳定性优异、轻质，且具有隔热性能的热防护材料。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种梯度密度碳
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陶瓷复合材料及其制备方法，制备得到的梯度密度碳
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陶瓷复合材料具有轻量化，耐温性能优异和隔热性能优异的特点。
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种梯度密度碳
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陶瓷复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0007](1)制备多孔碳纤维基体；
[0008](2)将所述多孔碳纤维基体浸渍在前驱体溶液中，制备得到密度均匀的碳
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陶瓷面板；
[0009](3)确定由密度均匀的碳
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陶瓷面板得到具有梯度密度的碳
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陶瓷面板的制备次数阈值；
[0010](4)确定每次浸渍密度均匀的碳
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陶瓷面板时所需的前驱体溶液的体积；
[0011](5)将所述前驱体溶液按照每次浸渍所需的体积倒入容纳有所述密度均匀的碳
‑
陶瓷面板的压力容器中，依次进行真空浸渍、固化和烧结，完成一次制备，直至制备的次数达到所述制备次数阈值，得到所述具有梯度密度的碳
‑
陶瓷面板；
[0012](6)在所述具有梯度密度的碳
‑
陶瓷面板的表面复合高发射率涂层，得到所述梯度密度碳
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陶瓷复合材料。
[0013]优选地，在步骤(1)中，所述多孔碳纤维基体由短切碳纤维和酚醛树脂通过固化、烧结制备得到；其中，所述短切碳纤维的直径为8～12μm，长度为0.5～5mm。
[0014]优选地，在步骤(1)中，所述多孔碳纤维基体的孔隙率为75％～90％；
[0015]所述多孔碳纤维基体的密度为0.1～0.3g/cm3。
[0016]优选地，所述前驱体溶液包括溶质和溶剂；其中，所述溶质为聚碳硅烷或乙烯基聚碳硅烷，所述溶剂为二乙烯基苯、甲苯、二甲苯、正己烷、四氢呋喃中的至少一种。
[0017]优选地，所述前驱体溶液中溶质的含量为20％～50％。
[0018]优选地，在步骤(3)中，所述制备次数阈值为1～3。
[0019]优选地，在步骤(4)中，所述每次浸渍密度均匀的碳
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陶瓷面板时所需的前驱体溶液的体积通过如下公式确定：
[0020][0021]其中，A
i
用于表示第i次浸渍时所需的前驱体溶液的体积，V用于表示所述密度均匀的碳
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陶瓷面板表观体积，N用于表示所述具有梯度密度的碳
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陶瓷面板的密度区域的数量；其中，1≤i≤N
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1，且i为整数；
[0022]其中，所述具有梯度密度的碳
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陶瓷面板的密度区域的数量为2～4。
[0023]优选地，在步骤(5)中，所述真空浸渍的时间为5～30min；
[0024]所述固化的固化温度为150～240℃，固化时间为4～8h；
[0025]所述烧结的烧结温度为1200～1400℃，烧结时间为1～4h。
[0026]优选地，在步骤(5)中，所述压力容器的底面积为所述密度均匀的碳
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陶瓷面板的平面面积的1.5～2倍。
[0027]优选地，在步骤(5)中，所述前驱体溶液是分次且沿所述压力容器的边缘进行倒入的。
[0028]优选地，在步骤(5)中，所述具有梯度密度的碳
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陶瓷面板的密度为0.5～1.0g/cm3。
[0029]优选地，在步骤(6)中，所述高发射率涂层由涂料混合物烧结制备得到；其中，所述涂料混合物包括高活性硼硅玻璃30wt％～50wt％、硼化锆5wt％～10wt％、二硅化钽10wt％～30wt％、二硅化钼30wt％～60wt％以及碳化硅晶须3wt％～5wt％；其中，所述涂料混合物的粒径为0.5～5μm。
[0030]第二方面，本专利技术提供了一种梯度密度碳
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陶瓷复合材料，采用上述第一方面任一所述的制备方法制备得到。
[0031]本专利技术与现有技术相比至少具有如下有益效果：
[0032](1)本专利技术通过控制碳
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陶瓷面板不同区域中陶瓷相的含量，使该碳
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陶瓷面板的密度沿厚度方向呈现阶梯式变化，使其兼具耐高温能力和隔热能力，其中，高密度区域耐温性能优异，使其面向来流方向，增加了该复合材料在严酷的热环境中应用的可靠性；而在来流的末端区域，由于热环境相对温和，降低此区域的密度，使该区域的热传导系数降低，从而可以使该区域具有优异的隔热性能；同时在高密度区域和低密度区域之间设置中密度过
度区域，可以有效避免碳
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陶瓷复合材料内部应力突变而导致其力学性能下降；
[0033](2)本专利技术提供了一种梯度密度碳
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陶瓷复合材料的制备方法，该制备方法简便，制备周期短，通过本专利技术的制备方法可以精确的控制碳
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陶瓷面板每层的密度区域，使制备得到的碳
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陶瓷复合材料梯度密度区域界限分明，不同区域应用于不用的热环境中，克服了现有技术中需要增加耐高温面板材料的重量以匹配与其低温段本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯度密度碳
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陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)制备多孔碳纤维基体；(2)将所述多孔碳纤维基体浸渍在前驱体溶液中，制备得到密度均匀的碳
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陶瓷面板；(3)确定由密度均匀的碳
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陶瓷面板得到具有梯度密度的碳
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陶瓷面板的制备次数阈值；(4)确定每次浸渍密度均匀的碳
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陶瓷面板时所需的前驱体溶液的体积；(5)将所述前驱体溶液按照每次浸渍所需的体积倒入容纳有所述密度均匀的碳
‑
陶瓷面板的压力容器中，依次进行真空浸渍、固化和烧结，完成一次制备，直至制备的次数达到所述制备次数阈值，得到所述具有梯度密度的碳
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陶瓷面板；(6)在所述具有梯度密度的碳
‑
陶瓷面板的表面复合高发射率涂层，得到所述梯度密度碳
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陶瓷复合材料。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：所述多孔碳纤维基体由短切碳纤维和酚醛树脂通过固化、烧结制备得到；其中，所述短切碳纤维的直径为8～12μm，长度为0.5～5mm；和/或所述多孔碳纤维基体的孔隙率为75％～90％；所述多孔碳纤维基体的密度为0.1～0.3g/cm3。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述前驱体溶液包括溶质和溶剂；其中，所述溶质为聚碳硅烷或乙烯基聚碳硅烷，所述溶剂为二乙烯基苯、甲苯、二甲苯、正己烷、四氢呋喃中的至少一种；和/或所述前驱体溶液中溶质的含量为20％～50％。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述制备次数阈值为1～3。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中：所述每次浸渍...

【专利技术属性】
技术研发人员：李健，王孟，高宇智，刘晓波，张恩爽，张杨，孙阔，苏立军，李文静，赵英民，张昊，
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：