[發明專利]一種炭/炭復合改性基體材料及其制備工藝

在審

• 申請號: 201810601977.7
• 申請日: 2018-06-12
• 公開（公告）號: CN108794039A
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發明（設計）人: 冉麗萍;孫澤旭;周哲;易茂中;葛毅成;彭可
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C04B35/83
• 分類號: C04B35/83;C04B41/89
• 代理公司: 北京國坤專利代理事務所(普通合伙) 11491
• 代理人: 趙紅霞

本發明公開了一種炭/炭復合改性基體材料及其制備工藝，C/C復合材料中起到燒蝕增強作用的有SiC、ZrC、熱解碳和炭纖維；熱解碳包裹在纖維骨架上，SiC均勻包圍在熱解碳周圍，ZrC作為基體填充的主要相均勻的分布在基體內部；SiC和ZrC形成采用以下質量百分比組成成分：80～95％的Zr粉、5～20％的Si粉和0～5％的C粉混合；本發明的制備工藝包括以下工藝步驟：C/C坯體預處理；Zr?Si?C混合粉末的制備；真空碳管爐高溫處理；成型件應力緩解熱處理；氧乙炔焰燒蝕儀進行涂層的燒蝕性能考核。本發明反應熔滲改性后的C/C復合材料在3000℃左右氧乙炔焰燒蝕時間提高到150s且材料整體結構不發生破壞。

技術領域

本發明涉及材料領域，特別指一種炭/炭復合改性基體材料及其制備工藝。

背景技術

C/C復合材料以其低密度、高比強度、高比模量、耐燒蝕和耐熱沖擊等優異性能已成為航空航天領域中首選材料之一。但C/C復合材料在空氣中400℃以上開始迅速氧化，氧化過程伴隨著氣體介質中的氧的流動，并且在雜質微粒的催化作用下，從材料邊界通過材料表面孔隙擴散至內部，導致其性能迅速衰減，因此沒有改性的C/C復合材料難以長時間在非真空環境中承受高溫、高速粒子流的沖刷。通過引入超高溫陶瓷(Ultral-hightemperature ceramic)比如SiC和ZrC是一種C/C復合材料耐燒蝕性的有效途徑。當前制備C/C-SiC-ZrC復合材料的方法有先驅體浸漬裂解(PIP)、等離子噴涂(PS)、化學氣相沉積(CVD)和反應熔滲(RMI)等方法，材料3000℃左右30s范圍內沒有明顯失效，但在3000℃以上更長時間的耐燒蝕性仍懸而未決。

文獻1：“鋯英砂包埋石墨法制備ZrC-SiC復合涂層，無機材料學報,2010(25),P41-46.”公開了一種采用鋯英砂包埋法制備炭炭復合材料抗燒蝕涂層的一種方法，該方法可以制備ZrC和SiC晶粒相互混合的一種混合涂層。該方法的不足之處在于包埋法制備的涂層致密度不夠高存在空隙及微裂紋，且涂層制備工藝不穩定，涂層的抗燒蝕溫度僅在1900℃左右。

文獻2：“高超飛行器用C/SiC-ZrC復合材料力學及燒蝕性能研究[J].火箭推進,2017(3),59-66.”介紹了C/C-ZrC-SiC復合材料的制備方法，分析了各種制備方法的優缺點，尤其對常用的PIP法和新發展起來的CVI+PIP混合工藝進行了重點介紹。文獻指出采用單一的PIP法或者CVI+PIP法雖然能制備出高密度的C/ZrC-SiC復合材料，然而在PIP過程中會殘留一定量的Zr粉或Si粉，自由的Zr/Si粉不可避免會與碳纖維發生反應，造成增強相碳纖維的損傷，導致碳纖維增韌補強作用降低，從而使材料的綜合性能下降，特別是力學強度大幅降低，導致材料災難性斷裂。同時，其工藝流程復雜，需要反復浸漬多次。

文獻3：“Microstructures and Ablation Resistance of ZrC Coating forSiC-Coated Carbon/Carbon Composites Prepared by Supersonic PlasmaSpraying.Journal of Thermal Spray Technology,2011(2),P1286-1291.”介紹了在C/C-SiC材料上再采用等離子噴涂ZrC涂層，但超音速等離子噴涂層(ZrC)與文中基體(SiC-Coated C/C材料)之間的熱應力要大于反應熔滲法或先驅體裂解法制備得到的材料，且涂層與基體之間的結合主要是靠噴涂過程中的沖擊作用的機械結合，而非應熔滲法所得到的冶金結合。另外，材料的燒蝕考核是在高熱流密度沖擊環境中進行，這樣會進一步加劇涂層和基體熱應力的增加從而導致失效。