[發明專利]一種碳纖維增強（碳-）碳化硅基-超高溫陶瓷基復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201811406727.4
• 申請日: 2018-11-23
• 公開（公告）號: CN109970460A
• 公開（公告）日: 2019-07-05
• 發明（設計）人: 湯素芳;龐生洋;胡成龍;王石軍;李建
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/565;C04B35/622
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 于曉波

本發明公開了一種碳纖維增強(碳?)碳化硅基?超高溫陶瓷基復合材料及其制備方法，屬于超高溫陶瓷基復合材料技術領域。該復合材料根據碳纖維、熱解碳(PyC)、碳化硅(SiC)、超高溫陶瓷(UHTC)各組元的特點將它們組合成四個功能區，即：碳纖維承力骨架區、PyC界面層區、PyC?SiC承力～抗氧化區、超高溫抗氧化耐燒蝕區，采用CVI?PIP?CVD復合工藝制備出一種具有優異力學性能、耐高溫抗氧化性能的復合材料。

技術領域:

本發明涉及超高溫陶瓷基復合材料技術領域，具體為一種碳纖維增強(碳-)碳化硅基-超高溫陶瓷基復合材料及其制備方法。

背景技術:

高速飛行器再入過程中要承受超高溫(≥1600℃)、高熱流、機械應力和熱載荷等作用，因此要求防熱材料具有很好的力學性能、抗氧化性能、抗熱震和抗燒蝕性能。目前，C/C復合材料在高溫無氧環境下具有優異的力學和熱學性能，但在有氧條件下超過450℃即開始發生氧化；在此基礎上發展了C/(C～)SiC復合材料，顯著提高了其力學性能和抗氧化性能，而當溫度進一步提高到1650℃以上時，SiC的活性氧化限制了其使用范圍。

超高溫陶瓷(Ultra～high～temperature ceramic，UHTC)熔點一般在3000℃以上，具有優異的抗氧化、抗燒蝕性能，大量研究表明，UHTC的引入可大大提高C/C和C/SiC材料的抗氧化、抗燒蝕性能，從而實現超高溫零燒蝕。然而，目前制備的碳纖維增強超高溫陶瓷基復合材料大多是以單一的C或SiC為基體，其力學性能相對較低，密度相對較高，難以同時滿足低密度、高力學性能、長時抗氧化和抗燒蝕等需求。因此，本發明提出了一種材料結構設計理念以實現上述的要求，并且提供了一種實現材料的短周期、低成本的制備方法。

發明內容:

本發明的目的在于提供一種碳纖維增強(碳-)碳化硅基-超高溫陶瓷基復合材料及其制備方法，所制備的復合材料具有復合基體，同時滿足低密度、高力學性能、長時抗氧化和抗燒蝕等需求，制備方法周期短，成本低。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：

一種碳纖維增強(碳-)碳化硅基-超高溫陶瓷基復合材料，該復合材料由碳纖維承力骨架區、界面層區、綜合性能調節區(PyC-SiC功能層)和抗氧化耐燒蝕區組成，其中：

碳纖維承力骨架區：是以碳纖維為原材料，采用針刺、編織等方法制備成的碳纖維預制體；

界面層區：采用PyC作為界面層并包裹在碳纖維周圍，界面層起到裂紋偏轉的作用，以提高材料的強度和韌性；

綜合性能調節區：所述綜合性能調節區為PyC-SiC功能層，是由熱解碳基體和碳化硅基體組成，所述熱解碳基體和碳化硅基體依次包覆在界面層上；所述PyC-SiC功能層能提高材料力學性能和抗氧化性能，通過改變其中熱解碳基體(PyC基體)與碳化硅基體(SiC基體)的組成配比，可制備出多種綜合性能優異的復合材料；

抗氧化耐燒蝕區：由超高溫陶瓷(ZrC、ZrB₂、HfC)和SiC涂層組成，其中：超高溫陶瓷覆蓋在綜合性能調節區中的碳化硅基體上，并在材料外表面沉積SiC涂層。

所述碳纖維預制體厚度為1～20mm，界面層厚度為0.1～3μm，所述超高溫陶瓷(UHTC)為ZrC、ZrB₂和HfC中的一種或幾種。

所述碳纖維增強(碳-)碳化硅基-超高溫陶瓷基復合材料采用化學氣相滲(CVI)、前驅體浸漬裂解(PIP)和化學氣相沉積(CVD)復合工藝實現材料的制備，具體包括如下步驟：

(1)將碳纖維預制體置于沉積爐中，以C₃H₈為碳源，Ar或N₂為稀釋氣和保護氣，采用CVI工藝，沉積PyC界面層，通過沉積時間控制界面層厚度；