[发明专利]一种通过超高温陶瓷粉基体改性制备超高温陶瓷基复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超高温陶瓷基复合材料的制备方法，尤其是一种通过超高温陶瓷粉(UHTC)对C/SiC陶瓷基复合材料抗烧蚀性能基体改性的方法。

背景技术

连续碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(C/SiC)是一种理想的高温结构材料，具有耐高温、低密度、高强度、抗热震等一系列优点，在航空发动机热端部件、航天飞机热防护系统和火箭发动机喷管等领域有广泛的应用和前景。由于SiC基体在低于1700℃被动氧化，在材料表面形成SiO₂层保护材料；C/SiC结构复合材料可以在低于1700℃的温度条件下长时间使用。大气层再入飞行器鼻锥、机翼前缘和火箭发动机喷管等热端部件的温度超过1800℃，在这种温度环境下，C/SiC主动氧化失去表面SiO₂保护层，导致纤维和基体严重烧蚀，抗烧蚀和抗氧化性能急剧下降容易导致构件失效。

过渡族金属元素硼化物和碳化物(MB₂，MC;M=Hf,Zr,Ta…)具有超过3000℃的超高熔点，被称为超高温陶瓷(UHTC)。超高温陶瓷具有高熔点、高硬度、高温强度等一系列优点，被认为是极端热和化学环境下的候选材料。由于陶瓷本身的脆性，UHTC不能单独成为大型结构件材料。连续纤维增韧陶瓷基复合材料可以克服陶瓷的脆性；在C/SiC复合材料中添加超高温陶瓷粉体一方面克服块体陶瓷的脆性，另一方面提高了材料抗烧蚀性能。因此超高温陶瓷（UHTC）粉体改性C/SiC复合材料可以获得材料高温烧蚀性能和力学性能的综合优势，成为一种提高C/SiC高温抗烧蚀能力的有效方法。

超高温陶瓷中锆的硼化物ZrB₂具有高熔点（3040℃）、低密度(6.09g/cm³)、良好的化学稳定性、高导热性、逐渐成为研究的重点；另外其氧化物ZrO₂具有3010℃的熔点使其在抗烧蚀方面具有更优越的潜力。C/SiC-ZrB₂复合材料的制备一般直接将ZrB₂颗粒引入C/SiC中，文献“Yiguang Wang,Wen Liu,Laifei cheng,Litong Zhang et al.Preparation and properties of2D C/SiC ultra high temperature ceramic composites[J]Material Science and Engineering A524(2009)129-133”中将涂覆ZrB₂颗粒聚碳硅烷(PCS)浆料二维碳纤维布堆叠固化裂解后化学气相沉积（CVI）SiC基体制备2D C/SiC-ZrB₂复合材料。文献“Z.Wang，S.M.Dong,et al.Mechanical properties and micristructures of CvSiC-ZrC composites using T700SC carbon fibers as reinforcements”将涂覆ZrC颗粒聚碳硅烷(PCS)浆料二维碳纤维布堆叠一定压力下固化裂解后制备了Cf/SiC-ZrC。通过这种方法制备的材料ZrB₂、ZrC含量较高，但层间结合差导致力学性能、烧蚀性能大大降低。王一光、朱晓娟等人采用反应熔体渗透法（RMI）利用金属Zr和C/C复合材料基体C反应制备了C/C-ZrC复合材料(Journal of Material Science and Engineering A524(2009)129-133)，材料的抗烧蚀性得到一定提高。由于RMI工艺以C/C作为预制体，材料的力学性能相对C/SiC下降很多。

本发明采用真空压力浸渍法在30%vol-40vol%气孔率C/SiC中引入UHTC粉体和碳有机前驱体，结合反应熔体渗透法（RMI）使熔融硅和基体中裂解碳原位反应生成SiC并使材料致密化，制备C/SiC-UHTC复合材料。采用30vol%-40vol%气孔率C/SiC作为预制体，一方面SiC基体在RMI过程中保护纤维不受熔融硅侵蚀以提高材料的力学性能，另一方面可以在预制体中引入一定量的UHTC粉体提高抗烧蚀性能。

发明内容

为了克服现有技术由于浆料涂覆产生的基体结合弱和RMI产生的纤维侵蚀，导致材料力学性能和烧蚀性能不良的问题。本发明提供了一种新型的C/SiC-UHTC复合材料的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：