一种多层次碳化锆增强碳基复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种多层次碳化锆增强碳基复合材料及制备方法和应用，属于复合材料制备技术领域。该多层次碳化锆增强碳基复合材料是以高温石墨化处理后的中间相炭微球为碳基体，采用熔盐法在炭基体微球内部和表面原位生成碳化锆陶瓷增强相，再结合热压烧结法制得；该多层次碳化锆增强碳基复合材料中由于陶瓷增强相的引入能够显著提升碳基材料的力学性能、抗热震及抗烧蚀性能。本发明专利技术公开的多层次碳化锆陶瓷增强碳基体复合材料具有优异的力学性能、抗高温氧化、抗烧蚀以及抗热震性能，在航空航天、能源电子等领域应用前景广阔。能源电子等领域应用前景广阔。能源电子等领域应用前景广阔。

【技术实现步骤摘要】
一种多层次碳化锆增强碳基复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于复合材料制备
，具体涉及一种多层次碳化锆增强碳基复合材料及制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着航空航天技术的不断革新，发动机的性能不断攀升，这对于其内部的结构件材料也提出了越来越严苛的性能要求，如更高的强韧性、更优异的抗热震性及抗烧蚀性等。石墨材料因具有低密度、耐高温、资源丰富、易加工等优点，被广泛用作航空航天领域中的关键结构件(如发动机中的轴密封件、喷管中的喉衬构件等)。然而，目前纯石墨材料存在致密化温度过高，致密化困难易产生气孔等缺陷，导致石墨材料的力学性能较差等问题。
[0003]中间相炭微球是一种新型碳基功能材料，是在稠环芳烃化合物的炭化过程中形成的一种盘状向列液晶结构，有着良好的化学稳定性、高堆积密度、易碳化、热稳定性好等特性。同时，中间相炭微球还具有价格低廉、密度小的优点，具有广阔的应用及发展前景。而碳化锆陶瓷作为一种超高温陶瓷材料，不仅具有高熔点、高强度，而且密度低、耐机械冲刷、耐高温氧化、耐烧蚀性能等优异的特性。因此，将碳化锆陶瓷作为增强相引入到石墨基体中，有望制备出轻质、高强、抗氧化、抗烧蚀、抗热震性能优异的陶瓷增强碳基复合材料。
[0004]目前，有关碳化锆增强中间相炭微球的研究鲜有报道。在利用陶瓷增强碳基材料的研究中，Chen等人以亚微米级氮化铝陶瓷和数十微米的中间相炭微球为原料，采用凝胶注模和放电等离子烧结法制备出氮化铝陶瓷增强碳基复合材料，形成的连续氮化铝骨架可使碳基体镶嵌在骨架中，但是其强度仅为54MPa[Carbon,2010,48:3399]。原因在于氮化铝陶瓷粉末与中间相炭微球在密度和颗粒粒径方面存在较大的差异，导致复合材料中的陶瓷骨架结构不均匀且连续性较差。Xia等人报道了以纳米碳化硅颗粒与中间相炭微球为原料，采用机械球磨和反应烧结的方式制备碳化硅陶瓷增强碳基复合材料。复合材料的强度有所提升，但是这种制备方法在复合材料中引入了大量的缺陷且陶瓷增强相难以形成连续骨架结构，导致复合材料的相对密度明显下降，力学性能提升幅度有限[CN101747039,公开日20100623]。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种多层次碳化锆增强碳基复合材料及制备方法和应用，以解决现有的陶瓷增强相骨架结构不均匀、连续性较差且层次不够丰富而导致复合材料相对密度较低、力学性能较低的技术问题。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]本专利技术公开了一种多层次碳化锆增强碳基复合材料，包括呈颗粒球形形态的中间相炭微球，在该中间相炭微球内部的石墨片层间均匀分布片状的增强相碳化锆陶瓷，在该中间相炭微球的最外层均匀包覆有增强相碳化锆包覆层，构成多层次碳化锆增强碳基复合材料。
[0008]优选地，该多层次碳化锆增强碳基复合材料是以高温石墨化处理后的中间相炭微球为碳基体，采用熔盐法在炭基体微球内部和表面原位生成碳化锆陶瓷增强相，再结合热压烧结法制得；
[0009]以体积百分比计，该多层次碳化锆增强碳基复合材料中，中间相炭微球占比50％～90％，碳化锆陶瓷增强相占比10％～50％。
[0010]优选地，中间相炭微球的粒径为5～20μm。
[0011]优选地，该多层次碳化锆增强碳基复合材料的相对密度为85.2％～98.7％，抗弯强度为60～318MPa，断裂韧性为1.20～4.21MPa
·
m
1/2
。
[0012]本专利技术还公开了上述的多层次碳化锆增强碳基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0013]1)按氢化锆：中间相炭微球＝1：(2～40)的摩尔比，将氢化锆和中间相炭微球混合，制得原料粉；按氯化钾：氟化钾＝(20:1)～(5:1)的质量比，将氯化钾和氟化钾混合，制得反应介质；按原料粉：反应介质＝1:6的质量比，将原料粉和反应介质充分混合均匀，制得混合粉末；
[0014]2)在真空或流动保护气氛下，将混合粉末以10～15℃
·
min
‑1的升温速率自室温起升至600℃，保温20min；再以5～10℃
·
min
‑1的升温速率升至900～1200℃，保温0.5～3h，所得产物清洗、烘干后得到内部和外表面含碳化锆的中间相碳微球复合粉体；
[0015]3)将制得的中间相碳微球复合粉体预压成型，然后利用放电等离子烧结法，对预压成型的试样激发活化，然后于1500～1900℃下进行烧结处理，自然冷却至室温，制得多层次碳化锆增强碳基复合材料。
[0016]优选地，步骤1)中，所用氢化锆的粒径范围为5
‑
10μm，纯度大于99.9％；所用氯化钾和氟化钾的纯度为GR级。
[0017]优选地，步骤3)中，是将制得的中间相碳微球复合粉体装入石墨模具中，预压成型，然后将装有预压成型试样的石墨模具放置于放电等离子烧结装置中，对石墨模具施加不低于30MPa的轴向压力，并在真空条件下，利用脉冲电流对预压成型的试样进行至少45s的激发活化处理。
[0018]优选地，步骤3)中，通过增加直流电流使温度由室温升温至1500～1900℃进行烧结，烧结处理的时间至少为3min。
[0019]进一步优选地，烧结分两个阶段，第一阶段由室温起以200～300℃
·
min
‑1的升温速率升温至1300℃，第二阶段从1300℃以150～180℃
·
min
‑1的升温速率升温至最终烧结温度。
[0020]本专利技术还公开了上述的多层次碳化锆增强碳基复合材料在制备航空航天发动机结构件中的应用。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0022]本专利技术公开的多层次碳化锆增强碳基复合材料，在中间相炭微球颗粒外表面形成了一层均匀且厚度可控的碳化锆陶瓷包覆层，还在炭微球内部的石墨片层间形成片状碳化锆增强相。碳化锆增强相的含量可通过调节反应物摩尔比、反应时间等工艺参数进行调控。进一步通过热压烧结得到高度致密且具有多层次增强相结构的碳化锆增强碳基复合材料。多层次结构的碳化锆增强相不仅可以改善碳基体的烧结性能，提高复合材料的致密度，赋
予复合材料轻质、高强韧的力学性能，同时还能使复合材料兼具耐冲刷、抗热震、抗烧蚀等优异性能，可作为喉衬以及耐高温抗烧蚀的结构材料应用于航空航天等领域。
[0023]本专利技术公开的多层次碳化锆增强碳基复合材料的制备方法，优势如下：
[0024]第一，以氯化钾和氟化钾为反应介质，通过熔盐包覆法在中间相炭微球的外表面形成了碳化锆包覆层，并在中间相炭微球内部形成了均匀分布的片状碳化锆增强相，解决了现有技术陶瓷增强相骨架结构不均匀且连续性较差的问题。氯化钾和氟化钾不仅能够为氢化锆和炭微球的反应提供液相环境，提高反应速率、降低反应温度，更重要的是这两种熔盐中的钾离子可以通过插层效应打开炭微本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多层次碳化锆增强碳基复合材料，其特征在于，包括呈颗粒球形形态的中间相炭微球，在该中间相炭微球内部的石墨片层间均匀分布片状的增强相碳化锆陶瓷，在该中间相炭微球的最外层均匀包覆有增强相碳化锆包覆层，构成多层次碳化锆增强碳基复合材料。2.根据权利要求1所述的多层次碳化锆增强碳基复合材料，其特征在于，该多层次碳化锆增强碳基复合材料是以高温石墨化处理后的中间相炭微球为碳基体，采用熔盐法在炭基体微球内部和表面原位生成碳化锆陶瓷增强相，再结合热压烧结法制得；以体积百分比计，该多层次碳化锆增强碳基复合材料中，中间相炭微球占比50％～90％，碳化锆陶瓷增强相占比10％～50％。3.根据权利要求1所述的多层次碳化锆增强碳基复合材料，其特征在于，中间相炭微球的粒径为5～20μm。4.根据权利要求1所述的多层次碳化锆增强碳基复合材料，其特征在于，该多层次碳化锆增强碳基复合材料的相对密度为85.2％～98.7％，抗弯强度为60～318MPa，断裂韧性为1.20～4.21MPa
·
m
1/2
。5.权利要求1～4中任意一项所述的多层次碳化锆增强碳基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)按氢化锆：中间相炭微球＝1：(2～40)的摩尔比，将氢化锆和中间相炭微球混合，制得原料粉；按氯化钾：氟化钾＝(20:1)～(5:1)的质量比，将氯化钾和氟化钾混合，制得反应介质；按原料粉：反应介质＝1:6的质量比，将原料粉和反应介质充分混合均匀，制得混合粉末；2)在真空或流动保护气氛下，将混合粉末以10～15℃
·
min
‑1的升温速率自室温起升至600℃，保温20min；再以5～10℃
·
...

【专利技术属性】
技术研发人员：史忠旗，谢文琦，张彪，魏智磊，夏鸿雁，肖志超，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：