[发明专利]一种新型超高温陶瓷一体化改性抗烧蚀炭/炭复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型超高温陶瓷一体化改性抗烧蚀炭/炭复合材料及其制备方法。

背景技术

炭/炭复合材料具有低密度、高比强、高比模以及优良的高温力学性能，是航空/航天飞行器重要的高温结构件用材。但传统的C/C复合材料存在易氧化问题，无法服役在氧化性高温环境中。Zr、Ta、Hf等过渡族金属碳化物和硼化物超高温陶瓷具有高熔点和良好的抗氧化、耐烧蚀性能，但其抗热冲击性能差。因而，各国材料工作者近年来一直致力于将超高温陶瓷引入到炭/炭复合材料中，制备一种陶瓷改性炭/炭复合材料，使该材料兼具陶瓷材料良好的抗氧化特性和炭/炭复合材料极佳的耐热冲击性能，是未来高超声速飞行器关键耐热结构部件的热防护候选用材。

常见的超高温陶瓷有Zr、Ta、Hf等过渡族金属碳化物和硼化物等二元系陶瓷。这些二元系碳化物的熔点比相应的硼化物熔点通常要高200-800℃。例如，HfC和ZrC熔点分别高达3890℃和3540℃，但HfB₂和ZrB₂熔点分别仅为3100℃和3000℃。因而，相对硼化物，碳化物具有更好的高温适应性；然而，硼化物因含硼元素却具有更好的抗氧化性能，但是高含量的硼元素又反而会导致低熔点的氧化物大量挥发，不利于烧蚀性能的提高。可见，当前二元系碳化物和硼化物超高温陶瓷具有明显的优势和不足。因而，许多学者通过多相混合来改善二元系超高温陶瓷的抗烧蚀性能。文献“A.Paul,D.D.Jayaseelan,S.Venugopal,E.Zapata-Solvas,J.Binner,B.Vaidhyanathan,A.Heaton,P.Brown and W.E.Lee.UHTC composites for hypersonic applications.Am.Ceram.Soc.Bull.91,22-28(2012)”报道了把HfB₂/ZrB₂和SiC复合相陶瓷共同引入C/C复合材料中，来提高超高温陶瓷基复合材料的抗烧蚀和抗氧化性能；文献“Sciti,D.,Brach,M.&Bellosi,A.Oxidation behavior of a pressureless sintered ZrB₂–MoSi₂ ceramic composite.J.Mater.Res.20,922-930(2005)”报道了将MoSi₂引入ZrB₂中来减少B元素的挥发，从而提高ZrB₂的抗氧化性能。文献“Liu H L,Zhang G J,Liu J X,et al.Synergetic roles of ZrC and SiC in ternary ZrB₂–SiC–ZrC ceramics.Journal of the European Ceramic Society,2015,35(16):4389-4397.”以及文献“Wu H,Xie C,Zhang W,et al.Fabrication and properties of 2D C/C–ZrB₂–ZrC–SiC composites by hybrid precursor infiltration and pyrolysis.Advances in Applied Ceramics,2013,112(6):366-373.”报道了将ZrC-SiC一起引入到ZrB₂制备出的三相复合陶瓷具有较好的抗烧蚀性能。可见，多相混合是提高当前二元系超高温陶瓷抗烧蚀性能常见的手段。此外，针对反应熔渗法改性炭/炭复合材料的报道亦有许多。例如，文献“Zou L,Wali N,Yang J M,et al.Microstructural development of a Cf/ZrC composite manufactured by reactive melt infiltration.Journal of the European Ceramic Society,2010,30(6):1527-1535.”和文献“Tong Y,Bai S,Chen K.C/C–ZrC composite prepared by chemical vapor infiltration combined with alloyed reactive melt infiltration.Ceramics International,2012,38(7):5723-5730.”报道了采用反应熔渗法对炭/炭复合材料进行基体改性。