[發(fā)明專利]熱防護(hù)用SiC-Cu復(fù)相發(fā)汗冷卻材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410285823.3
• 申請日: 2014-06-23
• 公開（公告）號: CN104087806A
• 公開（公告）日: 2014-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 史忠旗;張闊;夏鴻雁;王繼平;喬冠軍;王紅潔;楊建鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: C22C29/06
• 分類號: C22C29/06;B22D23/04
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 朱海臨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種航天熱防護(hù)用自發(fā)汗冷卻材料及制備方法，具體地說是一種以銅為發(fā)汗劑、碳化物陶瓷為基體的陶瓷基復(fù)合材料及制備方法。

背景技術(shù)

固體火箭發(fā)動機(jī)工作時，其噴注器面板、燃燒推力室內(nèi)壁、喉襯、噴管等部位承受高達(dá)3000K以上高溫燃?xì)饬鞯淖饔茫虼耍仨殞鸺l(fā)動機(jī)受熱關(guān)鍵部位進(jìn)行良好的冷卻，從而避免發(fā)生燒蝕破壞，保證發(fā)動機(jī)的正常工作，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的可重復(fù)使用。

自發(fā)汗冷卻技術(shù)是一種仿生技術(shù)，即利用生物為了生存對所處環(huán)境(溫度)進(jìn)行自身調(diào)節(jié)的原理，類似于人體的出汗排熱，當(dāng)材料在高溫環(huán)境下工作時，通過材料內(nèi)部的低熔點(diǎn)易氣化的固態(tài)物質(zhì)在高溫環(huán)境下熔化并蒸發(fā)而吸收熱量，降低材料表面工作溫度，保證部件不被高溫?zé)g，從而達(dá)到熱防護(hù)的目的。自發(fā)汗冷卻作為一種非常有效的保護(hù)暴露在高熱流和高溫環(huán)境下服役部件表面的熱防護(hù)方法，已經(jīng)在火箭發(fā)動機(jī)熱防護(hù)方面受到越來越廣泛的重視。

自發(fā)汗冷卻材料通常由作為基體材料的高熔點(diǎn)相與作為發(fā)汗劑的低熔點(diǎn)相如Cu、Al等組成。其按照基體材料可分為：(1)難熔金屬基發(fā)汗材料，如W/Cu、Mo/Cu、W-Mo/Cu及W-Al等；(2)石墨基發(fā)汗材料，如石墨/Cu、石墨/Al等；(3)陶瓷基發(fā)汗材料，如TiC/Cu、TiB₂/Cu、TiB₂/Al、TiB₂-TiC/Cu等。

作為第一代固體火箭發(fā)動機(jī)用材料的難熔金屬基發(fā)汗材料，其最大的缺點(diǎn)是密度太大(約為17g/cm³～18g/cm³)，而材料的輕質(zhì)化是航天材料選擇與設(shè)計過程中永恒追求的目標(biāo)，導(dǎo)致其在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用受到限制。此外，當(dāng)溫度超過2000℃時其燒蝕較為嚴(yán)重，嚴(yán)重影響火箭發(fā)動機(jī)關(guān)鍵材料的推進(jìn)效率和機(jī)動性能。盡管石墨基發(fā)汗材料符合輕質(zhì)化要求，但由于Cu、Al等對石墨的潤濕性差，因此通常采用壓力熔滲來制備，工藝復(fù)雜，成本高，并且石墨基體的抗氧化性也較差。陶瓷基發(fā)汗材料是一種將低密度、高熔點(diǎn)、高抗氧化性的碳化物或硼化物陶瓷與低熔點(diǎn)、低沸點(diǎn)金屬相復(fù)合的材料，具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)、耐高溫、抗沖刷、抗熱震、耐燒蝕的特性，被認(rèn)為是一種新型耐高溫材料，在固體火箭導(dǎo)彈等航天器的噴管喉襯燃?xì)舛孀o(hù)板等材料上有巨大的應(yīng)用前景。如“一種陶瓷/銅復(fù)合材料喉襯的制造方法”(中國專利201110075071.4)、“C/ZrC-SiC-Cu復(fù)合材料及其制備方法”(中國專利201310392261.8)等。重結(jié)晶多孔SiC陶瓷具有密度低、熱導(dǎo)率高、抗氧化性好等優(yōu)異性能，且高溫強(qiáng)度隨溫度的升高而增加，是陶瓷基發(fā)汗冷卻材料理想的基體材料之一。由于SiC與Cu之間的潤濕性差，因此通常采用壓力鑄造法來制備SiC/Cu復(fù)合材料，如“一種泡沫碳化硅陶瓷增強(qiáng)銅基復(fù)合材料摩擦片及制備方法”(中國專利200610045647.1)、“泡沫碳化硅/金屬雙連續(xù)相復(fù)合摩擦材料及其構(gòu)件和制備”(中國專利200610046242.X)等。由于采用壓力鑄造工藝不可避免的施加外界壓力，這就嚴(yán)重影響了可直接制備零件形狀的復(fù)雜性。自發(fā)熔滲作為一種近凈成型制備工藝，可解決制備復(fù)雜形狀零件的難題。為了使自發(fā)熔滲在該體系中容易實(shí)現(xiàn)，通常采用Cu基質(zhì)合金化來改善SiC與Cu之間的潤濕性，如“一種制備高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的方法”(中國專利200710177026.3)、“一種碳化硅/銅硅合金雙連續(xù)相復(fù)合材料及其制備方法”(中國專利201210429043.2)等。然而Cu基質(zhì)合金化后不能充分發(fā)揮純銅作為發(fā)汗劑的優(yōu)勢，從而降低SiC/Cu復(fù)相發(fā)汗冷卻材料的高溫抗燒蝕性能。此外，SiC與Cu在高溫下容易發(fā)生反應(yīng)生成石墨，這將會惡化SiC基體材料的高溫性能，因此如何有效解決SiC與Cu之間的潤濕性與反應(yīng)性問題已成為制備SiC/Cu復(fù)相發(fā)汗冷卻材料的關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種密度低、耐高溫、抗燒蝕性好的，火箭發(fā)動機(jī)熱防護(hù)用SiC/Cu復(fù)相發(fā)汗冷卻材料及該材料的制備方法。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：

一種熱防護(hù)用SiC-Cu復(fù)相發(fā)汗冷卻材料，其特征在于，按體積分?jǐn)?shù)計，由50～75％的SiC陶瓷相和25～50％的Cu金屬相組成塊體，其中SiC陶瓷相為多孔結(jié)構(gòu)，其多孔在三維空間中相互連通，Cu金屬相附著在這些多孔的表面。

上述熱防護(hù)用SiC/Cu復(fù)相發(fā)汗冷卻材料的制備方法，其特征在于，包括下述步驟：

第一步，首先制備重結(jié)晶SiC多孔陶瓷，其多孔在三維空間中相互連通；