一种超高温陶瓷及铜化物改性制造技术

本发明专利技术公开了一种超高温陶瓷及铜化物改性

【技术实现步骤摘要】
一种超高温陶瓷及铜化物改性C/C复合材料的快速制备方法


[0001]本专利技术涉及一种超高温陶瓷及铜化物改性
C/C
复合材料的制备方法

技术介绍

[0002]随着新一代高超声速武器的迅速发展，新一代尖端武器的飞行速度越来越快
。
未来新一代飞行器用热结构部件如燃烧室
、
鼻锥
、
喉衬等在高热流
、
高流速的燃气冲刷环境下，服役温度将超过
3000℃
，对新一代轻质耐高温热结构材料的耐烧蚀性能提出了更高的要求
。
难熔金属及其合金普遍密度较高
(10.2
～
19.35g/cm3)
，难以满足轻量化需求；超高温陶瓷存在抗热震性差，易碎裂的缺点；
C/SiC
复合材料在高于
1650℃
时将发生活性氧化，烧蚀率急剧上升；
C/C
复合材料在高温氧化性气氛下易发生氧化失效，因此，以上材料均难以满足新一代轻质耐高温热结构材料在超高温环境下的耐烧蚀防护需求，必须开发新的轻质耐烧蚀热结构材料
。
[0003]为提高
C/C
复合材料的高温耐烧蚀性能，通常采用超高温陶瓷基体改性工艺将超高温陶瓷相引入到
C/C
基体中可以有效地提高材料的高温抗氧化耐烧蚀性能
。
由于超高温陶瓷相在烧蚀过程中能在材料表面形成具有一定粘度的熔融保护膜，从而起到了类似热障涂层的阻氧隔热效果，有效提升了
C/C
材料的高温耐烧蚀性能
。
铜及其化合物具有较高的熔化潜热，利用其发汗降温效果，将铜及其化合物引入到超高温陶瓷改性
C/C
复合材料中，制备一种新型的超高温陶瓷及铜化物改性
C/C
复合材料，有望进一步提升超高温陶瓷改性
C/C
复合材料的高温耐烧蚀性能
。
目前，已开发的超高温陶瓷改性
C/C
复合材料工艺主要包括先驱体浸渍
‑
裂解
、
化学气相渗透及高温反应熔渗等
。
先驱体浸渍
‑
裂解与化学气相渗透工艺普遍存在制备周期长
、
成本高的缺点，较难实现超高温陶瓷及铜化物改性
C/C
复合材料的快速制备与应用推广
。
高温反应熔渗技术虽然具有成本低
、
周期短等优点，但在实际熔渗过程中，由于锆或铪类熔体具有较高的粘度，渗透性较差，其在高温条件下极易与表层的碳反应形成碳化物陶瓷基体，因此，较难实现
C/C
多孔体的均匀反应熔渗，从而导致制备的材料密度偏低，开孔率偏高的问题
(≥10
％
)。
熔渗后材料的密度与开孔率将对材料的高温耐烧蚀性能产生重要的影响，一方面，材料密度与基体中超高温陶瓷相的含量直接相关，当基体中超高温陶瓷含量较高时，材料越容易获得较高的密度，烧蚀过程中，表面易形成连续保护膜，有利于烧蚀性能的提高
。
另一方面，孔隙将成为烧蚀过程中氧的扩散入侵通道，会进一步加剧材料的烧蚀
。
因此，如何实现超高温陶瓷及铜化物改性
C/C
复合材料的快速制备，同时提高其密度，降低其开孔率，是其工程化应用过程中必须解决的难点问题
。
[0004]为解决超高温陶瓷及铜化物改性
C/C
复合材料的快速制备问题，进一步提高熔渗后材料中超高温陶瓷相含量和材料的密度，降低其开孔率，本专利专利技术了一种超高温陶瓷及铜化物改性
C/C
复合材料的快速制备方法，复合材料主要由超高温陶瓷
、
铜化物
、
热解炭及炭纤维增强体组成，其中，超高温陶瓷基体起到抗烧蚀骨架的作用，铜化物起到发汗降温的作用，炭纤维起到增强体的作用
。
由于本专利技术制备的复合材料中超高温陶瓷基体主要由陶瓷粉及熔渗反应形成的陶瓷相组成，其超高温陶瓷相含量较单一熔渗反应工艺制备的材
料内超高温陶瓷相含量进一步提高
。
同时，为解决熔渗过程中，熔体粘度不同造成的封孔效应，通过设计熔渗料中高低粘度熔体比例，并针对高低粘度熔体的渗透特性，专利技术了低真空反应熔渗及超高温压力反应熔渗两步熔渗工艺，从而有效提高了材料的密度，降低了材料的开孔率
。
该工艺制备的超高温陶瓷及铜化物改性
C/C
复合材料具有密度高
(2.85
～
3.7g/cm3)
，开孔率低
(
＜8％
)
，超高温陶瓷相含量高的特点，有利于进一步提升材料的抗燃气冲刷和耐烧蚀性能，为快速低成本制备超高温陶瓷及铜化物改性
C/C
复合材料提供了新途径
。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种超高温陶瓷及铜化物改性
C/C
复合材料的快速制备方法
。
本本专利技术通过设计熔渗料中高低粘度熔体比例，并针对高低粘度熔体的渗透特性，专利技术了低真空反应熔渗及超高温压力反应熔渗两步熔渗工艺，解决了超高温陶瓷及铜化物改性
C/C
复合材料的低成本与快速制备问题，并有效提高了材料的密度，降低了材料的开孔率
。
该材料结合了超高温陶瓷优异的耐烧蚀性能和铜化物发汗降温的优势，且由于超高温陶瓷基体主要由陶瓷粉及熔渗反应形成的陶瓷相组成，其耐烧蚀相含量更高，得到的材料体系进一步提升了超高温陶瓷改性
C/C
复合材料的高温耐烧蚀性能
。
[0006]本专利技术提出的超高温陶瓷及铜化物改性
C/C
复合材料的快速制备方法，复合材料由超高温陶瓷
、
铜化物
、
热解炭及炭纤维增强体组成
。
[0007]超高温陶瓷及铜化物改性
C/C
复合材料的快速制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)
超高温陶瓷粉末改性炭纤维预制体的制备：以超高温陶瓷粉末和炭纤维为原料，采用粉末与炭纤维预制体混编方法制备超高温陶瓷粉末改性炭纤维预制体
。
具体流程如下：采用一层炭纤维布与一层网胎相夹超高温陶瓷粉末，依次将纤维网胎和炭纤维布交替叠加铺层，在铺层过程中将超高温陶瓷粉末均匀地分散于每层网胎之中，再采用针刺或穿刺将含有陶瓷粉末的网胎层和纤维布连成整体，在厚度方向引入炭纤维后便制得了超高温陶瓷粉改性炭纤维预制体
。
[0009](2)
热解炭基体增密：将
(1)
中制备的超高温陶瓷粉改性炭纤维预制体放入化学气相沉积炉中进行热解炭化学气相增密处理，制得了超高温陶瓷改性
C/C
多孔体
。
[0010](3)
低真空反应熔渗：将...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种超高温陶瓷及铜化物改性
C/C
复合材料的快速制备方法，其特征在于，所述的复合材料由超高温陶瓷
、
铜化物
、
热解炭及炭纤维增强体组成；快速制备方法包括以下步骤：
(1)
超高温陶瓷粉末改性炭纤维预制体的制备：以超高温陶瓷粉末和炭纤维为原料，采用粉末与炭纤维预制体混编方法制备超高温陶瓷粉末改性炭纤维预制体；具体流程如下：采用一层炭纤维布与一层网胎相夹超高温陶瓷粉末，依次将纤维网胎和炭纤维布交替叠加铺层，在铺层过程中将超高温陶瓷粉末均匀地分散于每层网胎之中，再采用针刺或穿刺将含有陶瓷粉末的网胎层和纤维布连成整体，在厚度方向引入炭纤维后便制得了超高温陶瓷粉改性炭纤维预制体；
(2)
热解炭基体增密：将
(1)
中制备的超高温陶瓷粉改性炭纤维预制体放入化学气相沉积炉中进行热解炭化学气相增密处理，制得了超高温陶瓷改性
C/C
多孔体；
(3)
低真空反应熔渗：将
(2)
中制备的超高温陶瓷改性
C/C
多孔体进行机加工，超声波清洗烘干后，将上述多孔体置于熔渗粉料中，并一起放入石墨坩埚中，随后将装有多孔体和熔渗粉料的石墨坩埚放入压力熔渗炉中，升温至预定温度后进行低真空反应熔渗；所述的熔渗粉料为
Cu5Si
和
ZrSi2的混合粉，
Cu5Si
的含量为
10
～
20wt
％；所述的低真空反应熔渗工艺为：抽真空至
<0.1kPa
，在抽真空条件下保持
<0.1kPa
的真空度；升温至
1450℃
后，在
<0.1kPa
的真空条件下，于
1450℃
进行保温熔渗，熔渗时间为
20
～
60min
；
(4)
超高温压力反应熔渗：待
(3)
中的低真空反应熔渗过程结束后，充入氩气加压，加压时温度保持在
1450℃
，充入氩气后的压力为3～
10MPa
；随后升温至
1800
～
2100℃
的压力熔渗温度点，进行第二阶段的高温高压反应熔渗，保温保压熔渗时间为
30
～
90min
后，自然冷却，降温过程中，保持加压状...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨鑫，刘忠国，左远名，李洪涛，黄启忠，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：