[發明專利]碳化鋯晶須改性碳/碳復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201710094698.1
• 申請日: 2017-02-22
• 公開（公告）號: CN106882977B
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 李克智;周璇;趙志剛;石郭戈;李偉
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C04B35/83
• 分類號: C04B35/83;C04B35/81;C04B35/622;C04B35/52
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發明公開了一種碳化鋯晶須改性碳/碳復合材料的制備方法，用于解決現有方法制備的碳化鋯晶須改性碳/碳復合材料力學性能差的技術問題。技術方案是首先采用化學氣相沉積在碳纖維表面沉積熱解碳保護層，再采用微波水熱法將ZrC前驅體引入C/C復合材料預制體中，然后將ZrC前驅體轉變為ZrC晶須，之后再采用化學氣相沉積進行致密化，最終得到ZrC晶須改性C/C復合材料。本發明制備的復合材料為碳鋯兩相材料，無其他雜質，ZrC晶須在C/C復合材料內分布均勻，ZrC晶須的長徑比大，能與碳基體形成良好的機械互鎖，晶須與晶須之間的界面結合良好，從而改善了碳纖維和碳基體的界面結合，顯著提高了C/C復合材料的彎曲強度。

技術領域

本發明涉及一種復合材料的制備方法，特別涉及一種碳化鋯(ZrC)晶須改性碳/碳(C/C)復合材料的制備方法。

背景技術

C/C復合材料因具有一系列優異的性能而受到了研究者們的廣泛關注，例如：高強度、高比模量、低密度、高熱導率、低熱膨脹系數、耐燒蝕、抗熱震性能好、尤其是隨著溫度的升高其強度不降反升，被廣泛應用于火箭發動機噴管及喉襯、飛機剎車盤、飛機的端頭帽和機翼前緣的熱防護系統等。C/C復合材料在無氧環境中有許多優異的高溫性能，但C/C復合材料在370℃的有氧環境中就開始氧化，在2000℃就嚴重氧化，從而影響它的使用。大量研究表明，向C/C復合材料中引進ZrC超高溫陶瓷可以顯著改善其抗氧化抗燒蝕性能。但傳統的制備方法如液相浸漬和高溫熔融浸漬等，采用低密度C/C復合材料為骨架，通過循環浸漬裂解或高溫熔融浸漬的方式引入的陶瓷相，這些方法雖然改善了C/C復合材料的抗氧化抗燒蝕性能，但制備的陶瓷相粒徑一般較大，在碳基體中分布不均勻易團聚，導致碳纖維與碳基體的界面結合變差，從而會影響ZrC改性C/C復合材料的力學性能。所以開發新型制備工藝制備特殊形貌的陶瓷相，實現陶瓷相均勻彌散分布，改善碳纖維和碳基體的界面結合從而提高C/C復合材料的力學性能具有重要意義。

文獻1“沈學濤,李偉.C/C-ZrC復合材料的微觀結構和力學性能研究[J],無機材料學報.2015，30(5)：459-466”公開了一種C/C-ZrC復合材料的制備方法，該方法以密度為0.2g/cm³的針刺碳氈為材料骨架，采用氧氯化鋯水溶液浸漬碳氈，再結合化學氣相沉積法和高溫石墨化工藝制備得到了ZrC改性的C/C復合材料，當ZrC含量為12.08wt％時,其彎曲強度為42.5MPa，比未改性時提高了70％，但該方法需要2500℃的高溫石墨化處理，所制備的ZrC陶瓷相為納米級、微米級和亞微米級顆粒，顆粒在碳基體中呈偏聚態分布，納米和微米級的顆粒間結合較弱，導致碳纖維-碳基體的界面結合減弱，在微米級顆粒含量較高的密集碳纖維區域，碳纖維-碳基體的界面結合進一步減弱，不利于材料力學性能的進一步提高。

文獻2“楊鑫，蘇哲安，黃啟忠，等.ZrC質量分數對C/C-ZrC復合材料力學性能的影響[J],中南大學學報.2013,44(2):508-514”公開了一種ZrC改性C/C復合材料的方法，該方法采用基體改性技術將ZrC引入C/C復合材料中，再結合化學氣相沉積和高溫石墨化工藝制備了C/C-ZrC復合材料，當ZrC的質量分數為12.89wt％，其彎曲強度為100.60MPa～120.20MPa，但該方法所制備的復合材料需要在2000℃熱處理，其中ZrC陶瓷相為納米級顆粒，呈偏聚態的形式分布在碳基體中。

已公開的C/C-ZrC復合材料制備方法中，制備溫度都在2000℃以上，所制備的ZrC為納米、微米、亞微米級顆粒，顆粒間界面結合較弱，導致碳纖維-碳基體的界面結合減弱，并且ZrC顆粒在碳基體中以偏聚態的形式存在，分布不均勻，導致碳纖維-碳基體的界面結合減弱，影響C/C-ZrC復合材料力學性能的進一步提高。

發明內容