【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于碳纤维增强复合材料，涉及一种多组分碳纤维增强复合材料及低温熔渗制备方法。
技术介绍
1、碳/碳(c/c)复合材料因其重量轻、热膨胀系数(cte)适中和机械性能优异的特殊优势而在航空航天领域引起了极大的兴趣。尽管如此，氧化敏感性(在111℃以上急剧氧化)引起的快速损坏成为限制其广泛应用的关键挑战。目前对于碳纤维增强复合材料氧化/烧蚀防护领域的研究主要集中在涂层技术与基体改性技术。涂层技术通常是在c/c复合材料表面沉积或涂覆单层/多层含有单一或多种抗氧化/烧蚀组元的物质，隔绝内部复合材料与氧气的直接接触，从而实现对内部复合材料的有效保护，其具有操作简便、可设计性强等优势。文献一“guanghui feng,hejun li,xiyuan yao,et al.evaluation of ablationresistant zrc-sic multilayer coating for sic coated carbon/carbon compositesunder oxyacetylene and laser conditions[j].corrosion science,2122,215,111127.”中采用超音速等离子喷涂技术，在包埋sic内涂层的c/c复合材料表面，喷涂了具有不同zrc与sic比例的涂层，实现了多层涂层的可调控设计，多层涂层可以提供更好的高温防护，因为它不仅集成了不同子层的优点，而且比单层涂层具有更好的韧性。然而在高温强气流冲刷环境下，涂层由于与c/c复合材料的热膨胀系数不同(cte)，且包埋的si
2、基体改性技术有望解决这一问题，将抗氧化/烧蚀的组元引入到密度低(1.1g/cm3～1.1g/cm3)、孔隙率高(31～51％)的c/c复合材料内部，提高材料整体的抗氧化/烧蚀性能。基体改性技术主要包括前驱体浸渍裂解技术(pip)与反应熔渗技术(rmi)等。pip是以含有超高温陶瓷的多聚物作为前驱体，将c/c复合材料浸泡在前驱体中，通过多次烘干、固化、高温裂解循环，将超高温陶瓷引入c/c复合材料内部，虽然pip引入的陶瓷相均匀，浸透深度深，可实现成分设计，但是前驱体造价昂贵，陶瓷相产率仅31％左右，制备周期长，多次高温热处理对碳纤维损伤较大，且制备的复合材料开孔率大，往往需要结合其他工艺完成致密化，难以实现工业化应用；rmi是通过将拟引入的物质或其化合物加热到其熔点以上温度，使其流入c/c复合材料内部，通过与c/c复合材料内部的热解碳发生原位反应，生成超高温陶瓷，它具有近净尺寸成型、生产成本低、制备周期短、致密度高等优势。文献二“runningwang,ni li,jiaping zhang,et al.ablation behavior of sharp leading-edge c/c-zrc-sic composites using 3111℃oxyacetylene torch[j].corrosion science,2122,216,111551.”中提出通过反应熔渗在尖锐前缘构件中引入抗烧蚀组元zrc与sic，二者氧化形成zro2与sio2，zro2熔点高(2711℃)，在烧蚀过程中覆盖在c/c复合材料表面，但是其难以烧结致密，往往需要引入低熔点自愈合组元促进烧结；sio2熔点较低(1721℃)，烧蚀过程中形成流动的液态sio2玻璃相，愈合表面产生的裂纹与孔洞，与zro2协同作用，在c/c复合材料表面形成一层致密的zr-si-o氧化膜，阻止氧气进入基体内部，保护材料。然而，在熔渗的过程中由于所选熔体zrsi2的反应温度高(1911～2111℃)，碳纤维与熔体发生反应，对碳纤维的完整性造成破坏，大大衰减了构件的力学性能；同时，基体内部的sic在高温、低氧分压的条件下，发生主动氧化生成sio，从基体内部散出，对表层氧化膜造成破坏；并且熔渗的过程难以调控，无法像涂层一样实现精准的结构设计。
3、为解决高温下熔体与碳纤维反应，损伤力学性能的问题，研究人员对低温熔渗开展了一系列研究。文献三“yuanqi weng,xin yang,feixiong chen,et al.structureevolution and ablative mechanism of c/c-zrc-zrxcuy composites with lowporosity fabricated by pressure assisted reactive melt infiltration[j].corrosion science,2122,219,111811.”中采用反应熔渗技术，以zr-cu合金为熔渗剂，制备了c/c-zrc-zrxcuy复合材料。在烧蚀初期，cu相的吸热作用有效降低了表面温度的上升。随着烧蚀时间的延长，cu快速蒸发，在氧化膜表面留下了大量微孔；在冷却过程中，zro2由立方相逐渐向四方相、单斜相发生转变，引起体积变化，在表面产生裂纹。由于缺乏低熔点自愈合组元，微孔与裂纹难以愈合，成为氧扩散通道，最终导致材料失效。因此，sio2、tio2、ta2o5等低熔点自愈合组元需引入到材料中填充裂纹与孔洞，同时可以与zro2发生固溶，既抑制了zro2的相变，又缓解了sio2、tio2、ta2o5等低熔点相的蒸发。
4、综上所述，通过基体改性技术在c/c复合材料内部实现成分、结构设计与调控是目前研究工作的重点与难点。另外，从工程、工业化应用的角度出发，考虑成本、周期等问题，rmi不失为一种选择。但常规的zr-si、hf-si体系熔渗温度高，对力学性能损伤严重；成分单一，无法起到多组分协同作用提高烧蚀性能；基体内部形成的sic在高温环境下，对氧化膜起到的负面作用等都是亟待解决的问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种多组分碳纤维增强复合材料及低温熔渗制备方法，以解决现有反应熔渗技术中，熔体对碳纤维损伤严重，导致力学性能下降，以及熔体渗透c/c基体的深度不足，难以实现成分与结构化设计的问题。
2、为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
3、一种多组分碳纤维增强复合材料的低温熔渗制备方法，包括以下步骤：
4、步骤1，将c/c复合材料置于混合粉末中，混合粉末包覆c/c复合材料，所述混合粉末由低熔点熔渗剂和高熔点熔渗剂组成；所述低熔点熔渗剂为zr-cu合金粉，所述高熔点熔渗剂的熔点大于熔渗温度；所述高熔点熔渗剂包括一类高熔点组元和二类高熔点组元，一类高熔点组元与热解碳的反应速率低于低熔点熔渗剂与热解碳的反应速率，二类高熔点组元与热解碳的反应速率低于一类高熔点组元与热解碳的反应速率；
5、步骤2，在1211～1111℃下进行真空负压反应熔渗，获得多组分碳纤维增强复合材料。
【技术保护点】
1.一种多组分碳纤维增强复合材料的低温熔渗制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种多组分碳纤维增强复合材料的低温熔渗制备方法，其特征在于，所述Zr-Cu合金粉中的Zr含量为50～75wt.％。
3.根据权利要求1所述的一种多组分碳纤维增强复合材料的低温熔渗制备方法，其特征在于，所述一类高熔点组元为Ti，二类高熔点组元为Si。
4.根据权利要求3所述的一种多组分碳纤维增强复合材料的低温熔渗制备方法，其特征在于，以质量分数计，所述混合粉末中Zr-Cu合金粉的含量为60～90wt.％、Ti粉的含量为5～30wt.％、Si粉的含量为5～20wt.％。
5.根据权利要求1所述的一种多组分碳纤维增强复合材料的低温熔渗制备方法，其特征在于，步骤1前，所述C/C复合材料加工成为规则的形状。
6.根据权利要求1所述的一种多组分碳纤维增强复合材料的低温熔渗制备方法，其特征在于，步骤1前，所述混合粉末的制备过程为：将低熔点熔渗剂和高熔点熔渗剂球磨混合后过筛，烘干后获得。
7.根据权利要求1所述的一种多组分
8.根据权利要求1所述的一种多组分碳纤维增强复合材料的低温熔渗制备方法，其特征在于，步骤2中，真空负压的压力为1.0×10-2Mpa。
9.根据权利要求1所述的一种多组分碳纤维增强复合材料的低温熔渗制备方法，其特征在于，步骤2中，所述反应熔渗的加热参数为：以5～10℃/min的升温速率升至1200～1400℃，保温0.5～3h后，降温至800℃，降温速率为5～10℃/min。
10.一种通过权利要求1-9任意一项所述制备方法制得碳纤维增强复合材料，其特征在于，包括C/C复合材料和ZrC，ZrC均匀分布在C/C复合材料的内部，C/C复合材料的表层富集有二类高熔点组元与热解碳的反应产物，C/C复合材料的中间层富集有一类高熔点组元与热解碳的反应产物，内层为多相混合区。
...【技术特征摘要】
1.一种多组分碳纤维增强复合材料的低温熔渗制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种多组分碳纤维增强复合材料的低温熔渗制备方法，其特征在于，所述zr-cu合金粉中的zr含量为50～75wt.％。
3.根据权利要求1所述的一种多组分碳纤维增强复合材料的低温熔渗制备方法，其特征在于，所述一类高熔点组元为ti，二类高熔点组元为si。
4.根据权利要求3所述的一种多组分碳纤维增强复合材料的低温熔渗制备方法，其特征在于，以质量分数计，所述混合粉末中zr-cu合金粉的含量为60～90wt.％、ti粉的含量为5～30wt.％、si粉的含量为5～20wt.％。
5.根据权利要求1所述的一种多组分碳纤维增强复合材料的低温熔渗制备方法，其特征在于，步骤1前，所述c/c复合材料加工成为规则的形状。
6.根据权利要求1所述的一种多组分碳纤维增强复合材料的低温熔渗制备方法，其特征在于，步骤1前，所述混合粉末的制备过程为：将低熔点熔渗剂和高熔点熔渗剂球磨混合后过筛，烘干后获得。
7.根...
【专利技术属性】
技术研发人员：付前刚，张祎，刘冰，苏晓宣，董智杰，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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