[发明专利]一种ZrB2-SiC-Cf超高温陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于超高温陶瓷复合材料领域；具体涉及一种ZrB₂-SiC-C_f超高温陶瓷复合材 料及其制备方法。

背景技术

超高温陶瓷主要包括一些过渡族金属的硼化物、碳化物和氮化物(如：ZrB₂、HfB₂、 TaC、HfC、ZrC、HfN等)，它们的熔点均在3000℃以上，是一种非常有潜力的超高温防 热结构材料。在这些超高温陶瓷中，ZrB₂基超高温陶瓷因具有较高的热导率、适中的热 膨胀系数和良好的抗氧化烧蚀性能而成为一种非常有前途的非烧蚀型超高温防热材料，可 用于再入飞行器、大气层内高超声速飞行器的鼻锥、前缘以及发动机燃烧室的关键热端部 件，对提升高速飞行器气动性能、控制能力、飞行效率等方面将具有革命性贡献。然而， 目前该类材料的本征脆性限制了其工程应用。针对这一问题，国内外研究人员采取了多种 方法实现ZrB₂基超高温陶瓷的增韧，比如颗粒弥散增韧、软相增韧、晶须增韧和纤维增 韧。虽然这些方法在一定程度上提升了ZrB₂基超高温陶瓷的断裂韧性，但该类材料在断 裂过程中仍然表现出脆性断裂，无法满足工程应用的需求。其中，碳纤维在增韧超高温陶 瓷方面具有广泛的应用前景。然而，碳纤维增韧超高温陶瓷复合材料往往需要在很高的温 度下进行烧结，使得碳纤维很容易与超高温陶瓷基体在高温下发生反应导致其结构的损伤 和性能的退化，从而大大降低了纤维的增韧效果。因此，降低超高温陶瓷复合材料的烧结 温度，抑制碳纤维在烧结过程的性能退化，成为制备碳纤维增韧超高温陶瓷复合材料的核 心问题。研究表明，陶瓷材料的烧结温度与原始粉体的粒径大小密切相关，粉体粒径的降 低会增加其表面能，提高粉体的烧结活性，降低粉体的烧结温度。

采用纳米ZrB₂粉体替代微米ZrB₂粉体制备ZrB₂-SiC-C_f超高温陶瓷复合材料有望降 低该类材料的烧结温度，抑制碳纤维的结构损伤与性能退化，充分发挥碳纤维的增韧效果。 然而，当粉体粒径降低到纳米级时又会引起粉体的团聚，而且随着粉体粒径的降低其团聚 程度越严重。粉体的团聚会使其在烧结过程中出现团聚体优先烧结和晶粒快速长大的现 象，阻碍粉体的低温致密化并且导致烧结体微观结构的不均匀性。另外，ZrB₂粉体表面 的氧杂质会抑制其烧结过程中的致密化行为，并且随着粉体粒径的降低其粉体的表面氧杂 质越多。因此，需要选择合适粒径的ZrB₂粉体来缓解纳米粉体的团聚同时减少粉体的表 面氧杂质，促进ZrB₂基超高温陶瓷复合材料的低温致密化。

发明内容

本发明旨在克服ZrB₂基超高温陶瓷的本征脆性，而提供了一种ZrB₂-SiC-C_f超高温陶 瓷复合材料及其制备方法。本发明采用纳米ZrB₂粉体进行低温热压烧结制备碳纤维增韧 ZrB₂-SiC超高温陶瓷复合材料的方法，具有烧结温度低、纤维损伤小、复合材料破坏应 变高等特点。

为解决上述技术问题，本发明中ZrB₂-SiC-C_f超高温陶瓷复合材料按体积分数是由 30％～60％ZrB₂粉体、15％～30％SiC粉体和20％～50％碳纤维制成的，其中，所述的ZrB₂粉体粒径为(100～200)nm，所述的SiC粉体粒径为(100～500)nm。

本发明中一种ZrB₂-SiC-C_f超高温陶瓷复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：

步骤一、将ZrB₂粉体、SiC粉体和碳纤维加入到无水乙醇中，进行超声清洗；

步骤二、然后倒入聚四氟乙烯球磨罐中进行球磨8～24h，再真空旋转干燥得到粉体A； 步骤三、将步骤二中获得的粉体A研磨过筛，装入石墨模具，利用真空热压烧结炉在温 度为(1400～1500)℃、压力为(20～40)MPa下进行热压烧结(1～3)h，然后冷却至室 温，得到ZrB₂-SiC-C_f超高温陶瓷复合材料。