[发明专利]一种高强韧、高导热、耐烧蚀陶瓷梯度改性C/C复合材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种高强韧、高导热、耐烧蚀陶瓷梯度改性C/C复合材料及制备方法。通过常压CVD工艺在低密度C/C复合材料中获得碳纤维上原位定向生长的SiC纳米线，构建碳纤维‑SiC纳米线多尺度预制体。并结合陶瓷组元梯度分布的结构设计及后续的致密工艺最终制备了定向SiC纳米线和陶瓷组元梯度分布协同改性C/C复合材料。本发明采用催化剂辅助气‑液‑固(VLS)机制，制备的SiC纳米线在单根碳纤维表面整体定向明显，并在低密度C/C内部实现了大面积、可重复地原位定向生长阵列的效果。相比于随机取向的SiC纳米线，原位定向生长的SiC纳米线与基体之间产生纳米尺度机械互锁，从而可以将负载有效地从基体转移到纳米线上，被认为具有更优异的增韧效果。

技术领域

本发明属于改性C/C复合材料及制备方法，涉及一种高强韧、高导热、耐烧蚀陶瓷梯度改性C/C复合材料及制备方法，具体涉及一种基于定向SiC纳米线和陶瓷梯度分布构筑高强韧、高导热、耐烧蚀陶瓷改性C/C复合材料的方法。

背景技术

当高超声速飞行器以数倍马赫的速度在大气层中飞行时，持续的高热流输入使得飞行器机翼前缘和鼻锥等热防护系统的温度迅速提升，一旦超过热防护材料的服役温度，飞行器结构将会遭到破坏甚至瓦解。因此，高效热防护系统和热防护材料是高超声速飞行器在极端环境下长时稳定服役的关键基础。碳/碳(C/C)复合材料具有优异的综合热机械性能，在先进飞行器超高温热防护领域具有良好的应用前景。但C/C复合材料在高温有氧环境中的迅速氧化和烧蚀是限制其进一步广泛应用和发展的一大瓶颈。目前将抗烧蚀超高温陶瓷(UHTCs)组元引入到C/C复合材料基体是改善其抗氧化烧蚀性能的有效手段。但UHTCs具有脆性大热膨胀系数高等缺点，且传统陶瓷改性C/C复合材料热疏导能力差，这导致飞行器在超高速、高机动、长航时飞行时，气动热在材料表面积聚，难以向后方快速传输，并产生大温度梯度和由此激发并急剧增加的热应力，易造成严重的“驻点”烧蚀行为和基体的结构性破坏。因此，如何缓解陶瓷改性C/C复合材料服役前端局部过热、并同步提升基体结构稳定性是进一步提高C/C-UHTCs复合材料长时间稳定服役的关键。

针对UHTCs热障涂层驻点热积聚严重导致热应力上升和由此引发的涂层开裂和剥落等问题，研究学者提出了构造梯度涂层以缓解热失配、调控界面应力的思路，可以有效抑制涂层内裂纹的产生(论文1“Corrosion Science,2022,200:110215”)；然而，该方法主要应用于涂层领域，关于C/C复合材料基体的梯度改性方案鲜有人研究。此外，在C/C预制体内引入纳米管、纳米线等一维纳米材料，构建纳米材料-碳纤维多尺度预制体，可实现对碳基体在微纳跨尺度上的有效补强，改善纤维与基体的界面结合，从而提高复合材料的力学性能(文献2“Materials Science and Engineering:A,2016,651:583-589”)；除力学性能提升外，也有研究表明，SiC纳米线的引入构建了网状互锁结构，能在复合材料内部形成传热通道，提高复合材料的导热性能(文献3“Corrosion Science,2016,107:9-20”)；但是，现有工艺制备的SiC纳米线在C/C基体内部分布取向随机，进而造成载荷和热量传递效果不佳，SiC纳米线增韧和导热提升效果受限。因此，在预制体基体内获得原位定向生长的SiC纳米线并设计陶瓷组元梯度分布是进一步改善改性C/C复合材料导热性能，并协同提高其韧性和抗烧蚀性能的关键。

本发明将通过常压CVD工艺结合梯度陶瓷引入技术，制备定向SiC纳米线和陶瓷梯度分布协同改性C/C复合材料。该方法在碳纤维预制体内得到定向SiC纳米线-碳纤维多尺度机械连锁结构和传热通道，并有效设计出陶瓷梯度分布改性碳基体，为构筑高强韧、高导热、耐烧蚀陶瓷改性C/C复合材料提供新的技术和方法。

发明内容

要解决的技术问题