[发明专利]一种超声-紫外法低温改性C/C 复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种C/C改性复合材料方法，特别涉及一种能够提高C/C复合材料在低温阶段的抗氧化性能的超声-紫外法低温改性C/C复合材料的方法。

背景技术

C/C复合材料具有其它结构材料无法比拟的力学性能和高温性能，因此被广泛应用于航空、航天以及其他的民用领域。C/C复合材料在370℃左右的有氧环境中开始氧化，随着温度的升高，氧化速率迅速加快，材料的性能受到了严重的影响，从而限制了C/C复合材料的应用，因此C/C复合材料的抗氧化是当前研究的重点。

目前，碳碳复合材料的抗氧化途径主要有两种：（1）表面涂层技术，通过在碳碳复合材料表面制备合成耐高温抗氧化涂层，防止C/C复合材料与氧气接触，并阻止氧气在材料内部扩散，从而起到抗氧化的作用，提高C/C复合材料的性能。（2）基体改性，即对C/C复合材料的碳纤维和碳基体进行改性处理，通过一定的工艺添加各种抗氧化剂，使其本身具有较强的抗氧化能力。虽然基体改性发展的比较早，但仍没有取得突破性进展，存在一些问题：一方面，阻氧成分的引入会导致C/C复合材料力学性能和热学性能的下降；另一方面，在高温下，阻氧成分的化合物容易挥发，从而导致保护失效，所以这种方法只限于在1000℃以下的抗氧化保护。综上所述，对C/C复合材料进行基体改性有必要进行更深入的研究，在不影响材料性能的基础上，提高材料的氧化防护能力和拓展C/C复合材料低温应用领域具有重要的意义。

到目前为止，传统的改性方法主要有碳纤维改性法、液相浸渍法、添加剂法以及基体置换法等。碳纤维改性的方法主要有两种：一种是在碳纤维表面涂敷涂层。外敷涂层隔断了氧气与碳纤维的接触，从而达到保护材料的目的。添加剂法，添加剂法是指通过共球磨或共沉淀等方法将氧化抑制剂或前驱体弥散到基体碳的前驱体中，从而在材料合成时共同成型为C/C复合材料。基体置换法，此方法被认为是传统改性方法中最有效的方法。它是将具有抗氧化作用的材料加入到C/C复合材料中，利用各种方法（化学气相反应法、浸渗法、反应熔渗法等等）使其置换部分或全部基体碳，形成多元基体材料，进而提高材料本身的抗氧化性能。液相浸渍技术，由于液相法具有流动性好、扩散快等优点，因而被用来浸渍C/C复合材料。浸渍过程中，液相中的氧化抑制剂扩散渗入到材料内部，填充C/C复合材料基体中许多气孔和微裂纹等结构缺陷，即使得氧化活性点减少，并在材料表面形成一层很薄的覆盖层，降低氧化速率。

在新型的基体改性方法中，弭群首次采用微波水热法对碳/碳基体进行改性，能使材料在700-800℃的抗氧化性能显著提高。王妮娜等人采用了溶剂热法对C/C复合材料基体进行抗氧化改性，利用该方法改性C/C复合材料时，其主要原理是利用溶剂热过程中形成的高温、高压超临界环境下的流体具有很强的运送能力，将液相中的氧化抑制剂粒子在一定温度和压力下，通过扩散、溶解和反应等物理化学作用运送到基体内部，填充基体的孔隙，阻止氧与碳基体反应，保护整个C/C复合材料。溶胶-凝胶处理法也是近年来才出现的一种改性C/C复合材料的方法，将该方法与水热法相结合，使溶胶-凝胶体系处于一种临界温度和压力，通过压力、扩散、溶解和反应等作用进入到碳/碳基体内部，并填充碳/碳基体的孔隙，阻止氧与碳基体发生反应，保护整个C/C复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高C/C复合材料的低温抗氧化性的超声-紫外法低温改性C/C复合材料的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1）取飞机刹车片所用的2D-碳/碳复合材料清洗干净后放入烘箱中烘干；

2）将分析纯的硼酸三正丁脂和无水乙醇按1:（2-6）的体积比混合，并不断搅拌，记为A；

3）将A与分析纯的乙酸按（2-4）：1的体积比混合，并不断搅拌，形成溶胶前驱体，记为B；

4）再向B中加入B质量10%的ZrB₂粉体，搅拌形成均匀的悬浮液C；

5）将悬浮液C倒入四颈圆底烧瓶中，并将2D-碳/碳复合材料置于悬浮液C中，将装备好的四颈圆底烧瓶放入微波·紫外·超声波三位一体合成萃取反应仪中固定好，采用铂电阻测温方式测温；

6）采用紫外-超声的合成模式，紫外灯的功率为300W，紫外灯中心波长为365nm，超声波的输出功率设为400W，选择温度-时间工作模式，设定反应温度30～70℃，时间60～180min，反应结束后自然冷却到室温；取出C/C基体，再用无水乙醇清洗表面，然后放入马弗炉中450℃保温2-10h，得到改性后的C/C复合材料。