[發明專利]一種高導熱、強結合、耐燒蝕的超高溫陶瓷基復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202010326441.6
• 申請日: 2020-04-23
• 公開（公告）號: CN111454073A
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 倪德偉;陳博文;董紹明;陳小武;何平;王震;丁玉生;張翔宇
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/58;C04B35/56
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

本發明涉及一種高導熱、強結合、耐燒蝕的超高溫陶瓷基復合材料及其制備方法，所述超高溫陶瓷基復合材料的制備方法包括：（1）選取碳纖維編織成碳纖維預制體，所述碳纖維的熱導率＞40W/m·K；（2）采用化學氣相滲透法在碳纖維預制體中碳纖維表面沉積界面層；（3）通過溶膠凝膠法、漿料浸漬法、前驅體浸漬裂解法向碳纖維預制體中引入碳源和陶瓷相，再結合反應熔滲法實現致密化，得到所述高導熱、強結合、耐燒蝕的超高溫陶瓷基復合材料。

技術領域

本發明涉及一種提高纖維增強陶瓷基復合材料耐燒蝕性能的方法，具體涉及一種高導熱、強結合、耐燒蝕的超高溫陶瓷基復合材料的制備方法，屬于超高溫陶瓷基復合材料制備技術領域。

背景技術

作為高超聲速飛行器研制的關鍵技術之一，熱結構是保障飛行器在極端環境安全服役的基石，其工作環境復雜嚴苛，因此對高溫結構材料提出了嚴峻挑戰。要適應極端服役環境，必須攻克熱結構材料高強韌、耐超高溫、近零燒蝕難題。連續纖維增強超高溫陶瓷基復合材料(Ceramic Matrix Composites)從根本上克服了陶瓷材料固有的脆性，同時具有輕質、耐超高溫、抗氧化燒蝕、可設計性強等優點，成為高超聲速飛行器熱防護、熱結構的重要候選材料。

高溫抗氧化燒蝕是應用在極端服役環境下的超高溫陶瓷基復合材料最為關鍵的性能參數。

發明內容

為此，本發明的目的在于提供一種高導熱、強結合、耐燒蝕的超高溫陶瓷基復合材料及其制備方法，主要是通過提高超高溫陶瓷基復合材料熱導率、基體結合強度來提高材料的耐燒蝕性能。

一方面，本發明提供了一種高導熱、強結合、耐燒蝕的超高溫陶瓷基復合材料的制備方法，包括：

(1)選取碳纖維編織成碳纖維預制體，所述碳纖維的熱導率＞40W/m·K；

(2)采用化學氣相滲透法在碳纖維預制體中碳纖維表面沉積界面層；

(3)通過溶膠凝膠法、漿料浸漬法、前驅體浸漬裂解法向碳纖維預制體中引入碳源和陶瓷相，再結合反應熔滲法實現致密化，得到所述高導熱、強結合、耐燒蝕的超高溫陶瓷基復合材料。

本發明人發現，材料熱導率和基體結合強度是影響超高溫陶瓷基復合材料抗氧化燒蝕性能的關鍵因素。而且，在燒蝕過程中，進一步研究得到當高熱導率復合材料的熱導率大于15W/m·K時，其基本可以將燒蝕區的熱量迅速傳遞到材料各部分，避免熱量聚集，降低燒蝕區表面溫度從而降低燒蝕損傷。同時，考慮到材料熱導率與材料的組成、結構密切相關。為此，本公開首次通過選用高熱導率(熱導率＞40W/m·K)的碳纖維構建具有高熱導率碳纖維預制體，再結合反應熔滲方法制備高致密超高溫陶瓷基復合材料，使復合材料在后續燒蝕過程中可以迅速將熱量傳輸到材料各部分，避免熱量聚集，降低燒蝕表面溫度；同時，還能提高復合材料基體結合強度，降低燒蝕過程中材料發生層狀剝蝕的風險，為提高纖維增強超高溫陶瓷基復合材料耐燒蝕性能提供了新的解決方法。而且，本發明不采用碳熱還原過程，在避免多次高溫熱處理對碳纖維造成損傷的同時，保證了碳纖維纖維仍然具有高熱導性能。

較佳的，所述碳纖維預制體為2維纖維預制體、2.5維纖維預制體、或3維纖維預制體。

較佳的，所述碳纖維預制體中碳纖維的含量為10～70vol％。

較佳的，所述界面層為PyC層、BN層、SiC界面層中的至少一層；所述界面層的總厚度為0.01～5μm。

較佳的，所述碳源為酚醛樹脂、聚乙烯吡咯烷酮、蔗糖、碳粉中的至少一種。

較佳的，所述陶瓷相為SiC、TaC、ZrC、ZrB₂、HfC、HfB₂中的至少一種。

較佳的，所述反應熔滲法所用原料為Si、Zr、Hf、ZrSi₂、HfSi₂中的至少一種。