一种层状耐烧蚀超高温陶瓷材料及其制备方法技术

技术编号：40939502 阅读：2 留言：0更新日期：2024-04-18 14:57

本发明专利技术公开了一种层状耐烧蚀超高温陶瓷材料及其制备方法，层状耐烧蚀超高温陶瓷材料分为耐高温外层、抗氧化中层和高强度内层；耐高温外层成分为30～80vol.％HfC+10～60vol.％ZrC+1～10vol.％SiC<subgt;f</subgt;，抗氧化中层成分为10～80vol.％HfB<subgt;2</subgt;+10～80vol.％ZrB<subgt;2</subgt;+10～30vol.％SiC，高强度内层成分为70～90vol.％ZrB<subgt;2</subgt;+10～30vol.％SiC<subgt;f</subgt;。本发明专利技术大幅提高超高温陶瓷材料的使用温度，大气环境下可满足2500℃～3000℃超高温使用要求，填补该温度下无材可用的空白，且本发明专利技术的陶瓷材料的强韧性及抗烧蚀性能均得到显著提高。耐高温外层与高强度内层双SiC<subgt;f</subgt;纤维增强层与过渡层应力松弛结合，抑制了裂纹扩展，使层状耐烧蚀超高温陶瓷材料具有高强韧性。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超高温陶瓷，具体涉及一种层状耐烧蚀超高温陶瓷材料及其制备方法。

技术介绍

1、超高温陶瓷材料是在高温及反应气氛中能够保持物理和化学稳定性的一类材料，能够承受高超声速长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行和火箭推进系统等极端环境服役条件，可用于飞行器鼻锥、机翼前缘、发动机热端等关键部位或部件。随着高超声速飞行器飞行速度的大幅提升及发动机效率的显著提升，鼻锥等热端服役温度可达到2500～3000℃，现有超高温陶瓷材料无法满足使用要求，开发满足该类需求的新型超高温陶瓷材料具有至关重要的意义。

2、材料的耐高温抗烧蚀性能与烧蚀表面形成的氧化产物直接相关。在大气高温环境下，烧蚀表面层形成zro2疏松结构和填充其间的sio2玻璃相，在低于1800℃时能够有效阻碍进一步烧蚀，但在高于1800℃高温高速气流冲刷下sio2玻璃相快速挥发，限制了材料在更高温和更长时间服役。抑制烧蚀表面sio2玻璃相的挥发是提升超高温陶瓷基复合材料抗烧蚀性能的关键。目前已有一些成分优化来改善这一性能。专利文献cn202110856783.31记载的其通过在超高温陶瓷基复合材料中加入稀土氧化物提高了材料抗烧蚀性能，专利文献cn201410116784.4则记载了通过加入稀土化合物提高了sio2玻璃相稳定性。但上述优化均无法实现超高温陶瓷材料在2500～3000℃有氧环境下的使用。

3、通常，材料的强度随温度的升高而降低。当材料温度达到2500～3000℃时，现有超高温陶瓷材料如hfb2、zrb2等的强度显著下降，在高速大气冲刷下容易剥

技术实现思路

1、本专利技术的目的在于针对现有超高温陶瓷材料无法满足在2500～3000℃有氧化境下使用的问题，提供了一种层状耐烧蚀超高温陶瓷材料及其制备方法，本专利技术通过材料组织结构、成分配比与工艺的结合，提高材料高温强度，并在氧化烧蚀过程中自组装形成多层组合结构，产生毛细管自填充效应，抑制高温下材料的氧化，大幅提高超高温陶瓷材料的使用温度。

2、为了实现上述目的，本专利技术提供如下的技术方案：一种层状耐烧蚀超高温陶瓷材料，层状耐烧蚀超高温陶瓷材料分为耐高温外层、抗氧化中层和高强度内层；所述耐高温外层成分为30～80vol.％hfc+10～60vol.％zrc+1～10vol.％sicf，所述抗氧化中层成分为10～80vol.％hfb2+10～80vol.％zrb2+10～30vol.％sic，所述高强度内层成分为70～90vol.％zrb2+10～30vol.％sicf。

3、进一步地，所述耐高温外层和抗氧化中层之间、抗氧化中层和高强度内层之间还设置有过渡层；所述过渡层成分为70～90vol.％zrb2+10～30vol.％sicf。

4、进一步地，所述过渡层厚度为0.5～5mm。

5、进一步地，所述耐高温外层厚度为1～10mm，所述抗氧化中层厚度为1～30mm，所述高强度内层厚度为5～30mm，所述抗氧化中层与耐高温外层厚度比为1:1～5:1。

6、上述耐高温外层、抗氧化中层、高强度内层和过渡层的具体厚度根据实际服役过程中烧蚀时间而定，烧蚀时间越长，相应厚度越大。

7、本专利技术还提供了一种层状耐烧蚀超高温陶瓷材料的制备方法，层状耐烧蚀超高温陶瓷材料分为耐高温外层、抗氧化中层和高强度内层；其制备方法包括：

8、s1：以耐高温外层：30～80vol.％hfc+10～60vol.％zrc+1～10vol.％sicf、抗氧化中层：20～80vol.％hfb2+10～80vol.％zrb2+10～30vol.％sic和高强度内层：70～90vol.％zrb2+10～30vol.％sicf比例分别配料并混合，得到外层原料粉、中层原料粉和内层原料粉，将这三类原料粉在氮气或惰性气体保护气氛下进行干法球磨混合，球磨介质为hfc陶瓷球、zrc陶瓷球、zrb2陶瓷球、hfb2陶瓷球、zro2陶瓷球、hfo2陶瓷球和sic陶瓷球中的任一种或多种，球磨时间为1～50小时；

9、s2：将球磨后的三类原料粉分别冷压成型为块体，得到外层原料块、中层原料块和内层原料块；

10、s3：将所述内层原料块、中层原料块和外层原料块依次堆叠，且这三类原料块间加入过渡层粉体，堆叠后进行二次冷压成型；所述过渡层粉体为70～90vol.％zrb2+10～30vol.％sicf；

11、s4：将二次冷压成型的堆叠块体在真空或惰性气氛保护环境下烧结成型，得到层状耐烧蚀超高温陶瓷材料；其中，烧结温度为1850～2250℃，烧结压力为50～250mpa。

12、进一步地，所述耐高温外层厚度为1～10mm，所述抗氧化中层厚度为1～30mm，所述高强度内层厚度为5～30mm，所述抗氧化中层与耐高温外层厚度比为1:1～5:1；所述过渡层厚度为0.5～5mm。

13、进一步地，所述步骤s1中，对于球磨后的原料粉还需进行筛选，筛选出粒径为250～350目的原料粉。

14、进一步地，所述步骤s2和步骤s3中的冷压包括模压和冷等静压；

15、所述步骤s4中的烧结方式包括热压、放电等离子烧结或热等静压。

16、进一步地，所述惰性气体包括氩气、氦气、氖气、氪气和氙气。

17、进一步地，所述步骤s3中，还包括：向过渡层粉体中加入0.1～3wt.％粘结剂，堆叠后在400～500℃真空热处理，使粘结剂分解去除，然后进行二次冷压成型。

18、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：

19、1、本专利技术提供的层状耐烧蚀超高温陶瓷材料及其制备方法，通过材料组织结构、成分配比与工艺的设计，提高材料高温强度，并在氧化烧蚀过程中自组装形成多层组合结构，产生毛细管自填充效应，抑制高温下材料的氧化烧蚀，大幅提高超高温陶瓷材料的使用温度，大气环境下可满足2500℃～3000℃超高温使用要求，填补该温度下无材可用的空白。

20、2、采用本专利技术方法制备的层状耐烧蚀超高温陶瓷材料，相比于传统超高温陶瓷材料(如zrb2+sic)，其强韧性及抗烧蚀性能均得到显著提高。耐高温外层与高强度内层双sicf纤维增强层与过渡层应力松弛结合，抑制了裂纹扩展，使层状耐烧蚀超高温陶瓷材料具有高强韧性。本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种层状耐烧蚀超高温陶瓷材料，其特征在于，层状耐烧蚀超高温陶瓷材料分为耐高温外层、抗氧化中层和高强度内层；所述耐高温外层成分为30～80vol.％HfC+10～60vol.％ZrC+1～10vol.％SiCf，所述抗氧化中层成分为10～80vol.％HfB2+10～80vol.％ZrB2+10～30vol.％SiC，所述高强度内层成分为70～90vol.％ZrB2+10～30vol.％SiCf。

2.根据权利要求1所述的一种层状耐烧蚀超高温陶瓷材料，其特征在于，所述耐高温外层和抗氧化中层之间、抗氧化中层和高强度内层之间还设置有过渡层；所述过渡层成分为70～90vol.％ZrB2+10～30vol.％SiCf。

3.根据权利要求2所述的一种层状耐烧蚀超高温陶瓷材料，其特征在于，所述过渡层厚度为0.5～5mm。

4.根据权利要求1所述的一种层状耐烧蚀超高温陶瓷材料，其特征在于，所述耐高温外层厚度为1～10mm，所述抗氧化中层厚度为1～30mm，所述高强度内层厚度为5～30mm，所述抗氧化中层与耐高温外层厚度比为1:1～5:1。

6.根据权利要求5所述的一种层状耐烧蚀超高温陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述耐高温外层厚度为1～10mm，所述抗氧化中层厚度为1～30mm，所述高强度内层厚度为5～30mm，所述抗氧化中层与耐高温外层厚度比为1:1～5:1；所述过渡层厚度为0.5～5mm。

7.根据权利要求5所述的一种层状耐烧蚀超高温陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，对于球磨后的原料粉还需进行筛选，筛选出粒径为250～350目的原料粉。

8.根据权利要求5所述的一种层状耐烧蚀超高温陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2和步骤S3中的冷压包括模压和冷等静压；

9.根据权利要求5所述的一种层状耐烧蚀超高温陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述惰性气体包括氩气、氦气、氖气、氪气和氙气。

10.根据权利要求5所述的一种层状耐烧蚀超高温陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，还包括：向过渡层粉体中加入0.1～3wt.％粘结剂，堆叠后在400～500℃真空热处理，使粘结剂分解去除，然后进行二次冷压成型。

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【技术特征摘要】

1.一种层状耐烧蚀超高温陶瓷材料，其特征在于，层状耐烧蚀超高温陶瓷材料分为耐高温外层、抗氧化中层和高强度内层；所述耐高温外层成分为30～80vol.％hfc+10～60vol.％zrc+1～10vol.％sicf，所述抗氧化中层成分为10～80vol.％hfb2+10～80vol.％zrb2+10～30vol.％sic，所述高强度内层成分为70～90vol.％zrb2+10～30vol.％sicf。

2.根据权利要求1所述的一种层状耐烧蚀超高温陶瓷材料，其特征在于，所述耐高温外层和抗氧化中层之间、抗氧化中层和高强度内层之间还设置有过渡层；所述过渡层成分为70～90vol.％zrb2+10～30vol.％sicf。

3.根据权利要求2所述的一种层状耐烧蚀超高温陶瓷材料，其特征在于，所述过渡层厚度为0.5～5mm。

5.一种层状耐烧蚀超高温陶瓷材料的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛小东，甄强，李榕，郑锋，布乃敬，胡志杰，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：

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