一种高强韧、高导热、耐烧蚀陶瓷梯度改性C/C复合材料及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高强韧、高导热、耐烧蚀陶瓷梯度改性C/C复合材料及制备方法。通过常压CVD工艺在低密度C/C复合材料中获得碳纤维上原位定向生长的SiC纳米线，构建碳纤维

【技术实现步骤摘要】
一种高强韧、高导热、耐烧蚀陶瓷梯度改性C/C复合材料及制备方法


[0001]本专利技术属于改性C/C复合材料及制备方法，涉及一种高强韧、高导热、耐烧蚀陶瓷梯度改性C/C复合材料及制备方法，具体涉及一种基于定向SiC纳米线和陶瓷梯度分布构筑高强韧、高导热、耐烧蚀陶瓷改性C/C复合材料的方法。

技术介绍

[0002]当高超声速飞行器以数倍马赫的速度在大气层中飞行时，持续的高热流输入使得飞行器机翼前缘和鼻锥等热防护系统的温度迅速提升，一旦超过热防护材料的服役温度，飞行器结构将会遭到破坏甚至瓦解。因此，高效热防护系统和热防护材料是高超声速飞行器在极端环境下长时稳定服役的关键基础。碳/碳(C/C)复合材料具有优异的综合热机械性能，在先进飞行器超高温热防护领域具有良好的应用前景。但C/C复合材料在高温有氧环境中的迅速氧化和烧蚀是限制其进一步广泛应用和发展的一大瓶颈。目前将抗烧蚀超高温陶瓷(UHTCs)组元引入到C/C复合材料基体是改善其抗氧化烧蚀性能的有效手段。但UHTCs具有脆性大热膨胀系数高等缺点，且传统陶瓷改性C/C复合材料热疏导能力差，这导致飞行器在超高速、高机动、长航时飞行时，气动热在材料表面积聚，难以向后方快速传输，并产生大温度梯度和由此激发并急剧增加的热应力，易造成严重的“驻点”烧蚀行为和基体的结构性破坏。因此，如何缓解陶瓷改性C/C复合材料服役前端局部过热、并同步提升基体结构稳定性是进一步提高C/C
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UHTCs复合材料长时间稳定服役的关键。
[0003]针对UHTCs热障涂层驻点热积聚严重导致热应力上升和由此引发的涂层开裂和剥落等问题，研究学者提出了构造梯度涂层以缓解热失配、调控界面应力的思路，可以有效抑制涂层内裂纹的产生(论文1“Corrosion Science,2022,200:110215”)；然而，该方法主要应用于涂层领域，关于C/C复合材料基体的梯度改性方案鲜有人研究。此外，在C/C预制体内引入纳米管、纳米线等一维纳米材料，构建纳米材料
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碳纤维多尺度预制体，可实现对碳基体在微纳跨尺度上的有效补强，改善纤维与基体的界面结合，从而提高复合材料的力学性能(文献2“Materials Science and Engineering:A,2016,651:583
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589”)；除力学性能提升外，也有研究表明，SiC纳米线的引入构建了网状互锁结构，能在复合材料内部形成传热通道，提高复合材料的导热性能(文献3“Corrosion Science,2016,107:9
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20”)；但是，现有工艺制备的SiC纳米线在C/C基体内部分布取向随机，进而造成载荷和热量传递效果不佳，SiC纳米线增韧和导热提升效果受限。因此，在预制体基体内获得原位定向生长的SiC纳米线并设计陶瓷组元梯度分布是进一步改善改性C/C复合材料导热性能，并协同提高其韧性和抗烧蚀性能的关键。
[0004]本专利技术将通过常压CVD工艺结合梯度陶瓷引入技术，制备定向SiC纳米线和陶瓷梯度分布协同改性C/C复合材料。该方法在碳纤维预制体内得到定向SiC纳米线
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碳纤维多尺度机械连锁结构和传热通道，并有效设计出陶瓷梯度分布改性碳基体，为构筑高强韧、高导热、耐烧蚀陶瓷改性C/C复合材料提供新的技术和方法。

技术实现思路

[0005]要解决的技术问题
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于定向SiC纳米线和陶瓷梯度分布构筑耐烧蚀陶瓷改性C/C复合材料的方法，是一种基于定向SiC纳米线和陶瓷梯度分布构筑高强韧、高导热、耐烧蚀陶瓷改性C/C复合材料的方法。本方案通过常压CVD法在低密度C/C复合材料中获得碳纤维上原位定向生长的SiC纳米线，构建碳纤维
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SiC纳米线多尺度预制体。并结合陶瓷组元梯度分布的结构设计及后续的致密工艺最终制备了定向SiC纳米线和陶瓷组元梯度分布协同改性C/C复合材料。本专利技术制备的SiC纳米线在单根碳纤维表面整体定向明显，并在低密度C/C内部实现了大面积、可重复地原位定向生长SiC纳米线阵列的效果。将SiC纳米线
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碳纤维多尺度结构的构建与C/C基体的陶瓷组元梯度改性设计相结合，不仅可以对整个C/C基体实现微纳米尺度上的强韧化；而且在C/C服役前端抗烧蚀区设计了含SiC纳米线的高含量陶瓷组元，可以在氧化或烧蚀过程中有效抑制快速氧化通道的形成和碳基体的开裂；此外，定向SiC纳米线的引入在碳纤维间构建了纳米级的快速传热通道，而且C/C内陶瓷组元呈现梯度分布(从服役前端到后端，陶瓷含量逐渐降低)，这都有助于改善C/C复合材料的导热特性，实现其在烧蚀过程中的快速散热。一种基于定向SiC纳米线和陶瓷组元梯度分布构筑高强韧、高导热、耐烧蚀陶瓷改性C/C复合材料的方法。
[0007]技术方案
[0008]一种基于定向SiC纳米线和陶瓷梯度分布构筑耐烧蚀陶瓷改性C/C复合材料的方法，其特征在于步骤如下：
[0009]步骤1：对低密度C/C复合材料进行预处理；
[0010]步骤2、在低密度C/C复合材料内定向制备SiC纳米线：将步骤1处理后的低密度C/C复合材料置于金属盐催化剂乙醇溶液中浸泡后取出并烘干，得到负载有催化剂的低密度C/C复合材料；
[0011]将SiO2、Si、C的混合粉体置于石墨坩埚底部，并将负载有催化剂的低密度C/C试样悬挂于坩埚内的粉料上方，将石墨坩埚放置于气氛烧结炉高温反应室；然后在流量为10～200mL/min的氩气气氛保护下，以5～10℃/min的升温速率升至1200～1800℃，保温0.5～10h，关闭电源，自然冷却至室温，在低密度C/C复合材料内定向制备SiC纳米线；
[0012]步骤3、陶瓷组元梯度分布引入：采用陶瓷组元分区工艺或选区引入工艺，在步骤2中制备的SiC纳米线
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低密度C/C复合材料内引入梯度分布的陶瓷组元，然后烘干固化；
[0013]步骤4、进行热处理：热处理参数为：在10～200mL/min的氩气或氮气气，保护下高温800～2500℃热处理1～10h对陶瓷进行转化或者烧结，最终实现陶瓷组元在C/C基体中的梯度分布。
[0014]所述步骤1低密度C/C复合材料的预处理用无水乙醇和去离子水超声清洗10～70min，然后将其放置在60～100℃的烘箱内5～24h，直至于烘干。
[0015]所述低密度C/C复合材料的密度为0.45～1.2g/cm3的低密度C/C复合材料。
[0016]所述金属盐催化剂乙醇溶液浓度为0.1～2mol/L。
[0017]所述在金属盐催化剂乙醇溶液中浸泡2～24h。
[0018]所述SiO2、Si、C的混合粉体的质量百分比为1:0.1～0.6:0.2～0.8。
[0019]所述的金属盐催化剂乙醇溶液包括但不限于：硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硫酸亚铁、
硫酸钴、硫酸镍、氯化铁、氯化钴或氯化镍。
[0020]所述的陶瓷料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强韧、高导热、耐烧蚀陶瓷梯度改性C/C复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：对低密度C/C复合材料进行预处理；步骤2、在低密度C/C复合材料内定向制备SiC纳米线：将步骤1处理后的低密度C/C复合材料置于金属盐催化剂乙醇溶液中浸泡后取出并烘干，得到负载有催化剂的低密度C/C复合材料；将SiO2、Si、C的混合粉体置于石墨坩埚底部，并将负载有催化剂的低密度C/C试样悬挂于坩埚内的粉料上方，将石墨坩埚放置于气氛烧结炉高温反应室；然后在流量为10～200mL/min的氩气气氛保护下，以5～10℃/min的升温速率升至1200～1800℃，保温0.5～10h，关闭电源，自然冷却至室温，在低密度C/C复合材料内定向制备SiC纳米线；步骤3、陶瓷组元梯度分布引入：采用陶瓷组元分区工艺或选区引入工艺，在步骤2中制备的SiC纳米线
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低密度C/C复合材料内引入梯度分布的陶瓷组元，然后烘干固化；步骤4、进行热处理：热处理参数为：在10～200mL/min的氩气或氮气气，保护下高温800～2500℃热处理1～10h对陶瓷进行转化或者烧结，最终实现陶瓷组元在C/C基体中的梯度分布。2.根据权利要求1所述高强韧、高导热、耐烧蚀陶瓷梯度改性C/C复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1低密度C/C复合材料的预处理用无水乙醇和去离子水超声清洗10～70min，然后将其放置在60～100℃的烘箱内5～24h，直至于烘干。3.根据权利要求1或2所述高强韧、高导热、耐烧蚀陶瓷梯度改性C/C复合材料的制备方法，其特征在于：所述低密度C/C复合材料的密度为0.45～1.2g/cm3的低密度C/C复合材料。4.根据权利要求1所述高强韧、高导热、耐烧蚀陶瓷梯度改性C/C复合材料的制备方法，其特征在于：所述金属盐催化剂乙醇溶液浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷学民，张欣，郭领军，刘慧敏，李贺军，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：