[发明专利]一种防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种防热‑隔热‑承载一体化轻质碳‑陶复合材料及其制备方法，属于超高温热防护材料技术领域。该材料为碳‑陶双层梯度一体化结构，表层为200～500μm的SiC或改性SiC陶瓷层，起到超高温抗氧化、抗烧蚀作用，底层为高强韧纤维增强的多孔碳层，起到超高隔热、承载作用。采用表层限域陶瓷化原位反应技术，通过在轻质碳基复合材料表面设置多孔扩散障碍层、改沸腾蒸发为平面蒸发以促使气态硅与碳适度反应并限域进行，实现了对轻质碳基复合材料的选择性陶瓷化，获得梯度过渡的高结合强度SiC或改性SiC原位陶瓷转化层。本发明材料具有优异的超高温热防护性能，材料背温显著降低。

技术领域

本发明涉及超高温热防护材料技术领域，具体为一种防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料及其制备方法。

背景技术

现有非烧蚀热防护材料与结构存在结构复杂、维护困难、制造周期和成本高(盖板组合式结构)，以及使用温度(长时≤1500℃)和承载能力(强度＜2MPa)低(刚性隔热瓦)等问题，难以满足新型飞行器热防护系统紧凑型结构及轻量化设计需求，研制以轻质、耐超高温、非烧蚀、高效隔热、强韧性好、长时使用为特征的新型防热-隔热-承载一体化材料仍然是该领域的技术瓶颈

轻质碳基复合材料(C_f/CA)密度为0.1-1.0g/cm³时，抗压强度可达0.6-180MPa，且热导率低，是理想的超高温隔热-承载一体化材料。但纳米碳基体在350℃以上即开始氧化导致材料表面质量损失大，故而无法实现新一代飞行器热防护系统所需的非烧蚀防热功能。因此，在C_f/CA表面制备抗氧化陶瓷涂层以赋予材料防热功能将是研制轻质超高温防热-隔热-承载一体化材料的一种有效途径。然而，C_f/CA复合材料为纳米多孔体，其表面具有跟荷叶类似的纳米级乳突结构，与液相润湿性差，采用等离子喷涂、浆料涂刷-烧结等经液相成膜方法时，所得涂层极易剥落。此外，C_f/CA的基体为纳米碳颗粒多孔体，颗粒间的“接触颈”及纤维是材料强韧性的载体，采用包埋法制备涂层时，剧烈的液-固反应带来的基体不均匀膨胀极易导致“接触颈”分离，同时刻蚀纤维，使涂层粉化。CVD工艺可以沉积数十微米厚的SiC涂层，但因残余热应力的存在涂层结合强度通常不足2MPa，且易开裂。

为了填补当前1600℃以上超高温轻质防热、隔热、承载一体化材料的空白，解决轻质碳基复合材料抗氧化非烧蚀问题，本发明提出了一种全新的轻质碳-陶复合材料体系，并发明了一种表层限域陶瓷化原位反应技术，实现了轻质碳基复合材料表层200～500μm原位转化SiC或改性SiC陶瓷层的制备，所得材料可在2000℃下实现防热、隔热、承载功能的集成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于1600℃以上、耐温能力达到2000℃的超高温防热、隔热、承载一体化轻质碳-陶复合材料，并提供一种表层限域陶瓷化原位反应技术用于材料制备。本发明有效填补了1600℃以上轻质防热、隔热、承载一体化材料的空白。发明的表层限域陶瓷化原位反应技术对设备和操作的要求较低，工艺简单，大尺寸异形构件工艺适应性好，适于较宽密度范围轻质碳基复合材料的表层陶瓷化；陶瓷化工艺过程温和，不损伤纤维，陶瓷层组分可调，陶瓷层与轻质碳基底层结合强度高。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料的制备方法，该方法是采用表层限域陶瓷化原位反应技术制备碳-陶复合材料，具体包括如下步骤：

(1)以轻质碳基复合材料为基底，将轻质碳基复合材料加工成所需形状，吹净表面后用酒精进行超声清洗，随后置于烘箱内在90-120℃烘干24-48h；

(2)将陶瓷颗粒过筛后，球磨共混6-12h，获得障碍层混合粉末；向混合粉末中加入粘接剂，机械搅拌后制得陶瓷粉体浆料；所述陶瓷颗粒为碳化硅、二氧化硅、二硼化锆和三氧化二铝中的一种或几种；