[发明专利]一种C/C-HfC复合材料的高效低成本近净成形制备方法

说明书

本发明提供一种C/C‑HfC复合材料的高效低成本近净成形制备方法，具体包括如下步骤：（1）带纤维保护层碳纤维预制体的制备；（2）多孔C/C复合材料预制体的制备；（3）浸渍料浆的制备；（4）刷涂料浆的制备；（5）C/C‑HfC复合材料的制备。与现有技术相比，本发明所述制备技术可解决熔体反应熔渗后残余金属易与所制备复合材料粘黏的问题，可实现C/C‑HfC碳陶复合材料的近净成形；通过料浆浸渍和表面料浆刷涂相结合，可以合理控制引入C/C复合材料内部金属铪的含量，工艺可控性强；所述工艺周期短，效率高，所制备碳陶复合材料成本低。

技术领域

本发明属于碳陶复合材料制备技术领域，具体涉及一种碳化铪陶瓷改性C/C复合材料（C/C-HfC）的制备方法。

背景技术

C/C复合材料是由碳纤维增强相和碳基体相组成的一种复合材料，具有低密度、高强度、高抗热震性、低热膨胀系数、零湿膨胀、高温强度和模量随温度升高而增大等优异性能，是理想的高温耐热结构材料之一。但是，C/C复合材料在高温高速气流冲刷下显著氧化和烧蚀，已不能满足新一代高性能航空航天器对高温耐热结构材料的要求。在C/C复合材料内部引入难熔碳化物，采用难熔金属碳化物置换部分碳基体改性C/C复合材料是提高其耐高温抗氧化烧蚀性能的有效途径。碳化铪熔点高达3890^oC，其氧化后形成的氧化铪具有十分优异的抗氧化和耐烧蚀性能，是C/C复合材料理想的基体改性剂，得到了研究者们的关注和青睐。

文献“HfC改性C/C复合材料整体喉衬的烧蚀性能研究，无机材料学报，2008,23(6): 1155-1158”和文献“Microstructure and ablation behavior of C/C-HfCcomposites prepared by precursor infiltration and pyrolysis, CorrosionScience, 2015, 94: 165-170”分别公开了采用先驱体浸渍裂解法制备C/C-HfC复合材料，然而先驱体浸渍裂解法可实现掺杂改性的HfC的量比较有限，而且复合材料制备通常需要很多次的浸渍裂解工艺，工艺周期长，材料制备成本高。文献“合金反应熔渗法制备C/C-HfC复合材料微观结构及抗烧蚀性能，中国陶瓷，2015,1:14-18”公开了一种采用50Hf10Zr37Si3Ta多组元铪合金反应熔渗制备C/C-HC复合材料的工艺，复合材料内部引入了大量的HfC，有效提高了C/C复合材料的抗烧蚀性能。然而，该工艺将多孔C/C复合材料埋于合金中，高温下合金熔化，C/C复合材料泡在合金熔体中，熔体与碳反应速度快，难于有效控制，反应过程控制不当易导致所制备复合材料内部残留有少量残余金属，影响碳陶复合材料的性能。此外，反应熔渗结束后，所制备的C/C-HfC复合材料易与未反应的合金粘黏，不便于复合材料的近净成形。

发明内容

克服现有C/C-HfC复合材料先驱体浸渍裂解制备工艺HfC掺杂量少、制备周期长和反应熔渗工艺较难控制，难于近尺寸成形的不足，本发明提供一种C/C-HfC碳陶复合材料的高效率、低成本、可实现近净成形并能有效控制C/C-HfC复合材料结构和性能的制备方法，具体包括如下技术步骤：

（1）带纤维保护层碳纤维预制体的制备：将碳纤维或碳纤维布采用针刺、碳布叠层穿刺、三维编织或多维整体编织成碳纤维预制体；将碳纤维预制体在真空气氛中加热到一定温度进行热处理，去除纤维表面的胶黏剂；采用化学气相沉积工艺或溶胶-凝胶工艺在热处理后的碳纤维预制体中碳纤维表面制备保护涂层，得到带有纤维保护层的碳纤维预制体；

（2）多孔C/C复合材料预制体的制备：采用化学气相渗透工艺沉积热解碳增密步骤（1）制备的带有保护涂层的碳纤维预制体，得到多孔C/C复合材料预制体；

（3）浸渍料浆的制备：将聚合物先驱体与聚乙二醇溶解在无水乙醇中，加入金属铪粉，通过球磨充分混合均匀后得到浸渍料浆；