[發明專利]一種改性碳/碳復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 202110411567.8
• 申請日: 2021-04-16
• 公開（公告）號: CN113045326B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發明（設計）人: 曾毅;熊翔;江天興;李睿
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C04B35/83
• 分類號: C04B35/83;C04B35/622;C04B41/88
• 代理公司: 長沙永星專利商標事務所(普通合伙) 43001
• 代理人: 周詠;林毓俊

本發明公開了一種改性碳/碳復合材料的制備方法，包括以下步驟：1)將碳纖維預制體進行高溫預處理，得到預處理后的碳纖維預制體；2)將預處理碳纖維預制體采用化學氣相沉積法沉積熱解碳層或者通過浸漬炭化法制備樹脂碳層，最終得到多孔的碳/碳復合材料；3)將金屬X粉、B粉和Si粉在保護氣氛下進行球磨，得到B?Si?X混合粉末；4)將多孔的碳/碳復合材料包埋于B?Si?X混合粉末中，然后早設定溫度下進行低溫熔滲反應，反應結束后，即可得到改性碳/碳復合材料。本發明大幅度降低了反應熔滲的熔滲溫度，不僅降低了能源的損耗，而且降低了較高溫度下對碳纖維造成的損傷；且制備工藝簡便可靠，周期短，可重復性高。

技術領域

本發明屬于碳化物陶瓷技術領域，具體涉及一種改性碳/碳復合材料的制備方法。

背景技術

C/C復合材料具有密度低、高強模量、熱膨脹系數小、耐腐蝕、耐磨損、化學惰性、尺寸穩定性高，抗熱震性能以及高溫力學性能優異等一系列綜合性能，且隨溫度的升高其強度不降低反而升高，在2000℃的超高溫環境中仍然具有較高的強度。因此，C/C復合材料在航空航天等領域中有著廣闊的應用前景，如飛行器的端頭罩、鼻錐和翼前緣等部件的熱防護系統、火箭發動機燃燒室等熱結構件、高性能汽車的剎車片等方面。但是C/C復合材料在有氧環境下，一般在370℃以上就會開始氧化，導致材料的力學性能及各項物理化學性能迅速下降。同時隨著航空航天飛行器的飛行馬赫數不斷提高，對飛行器上的熱防護材料提出了更為苛刻的要求，需要耐更高的溫度，服役時間更長，且要求結構材料輕質可靠。因此，進一步提高C/C復合材料在長時間高溫下的抗氧化燒蝕能力顯得尤為重要。

目前提高C/C復合材料抗氧化燒蝕方法主有兩種：基體改性以及涂層防護。其中基體改性不僅可以通過引入其他組元提高復合材料本身的抗氧化及抗燒蝕性能，而且可以進一步提高材料的致密度和均勻性。已報道的基體改性工藝主要有化學氣相滲透法（CVI）、先驅體浸漬-裂解法（PIP）、反應熔滲法（RMI）等。與CVI 、PIP 等方法相比，反應熔滲法（RMI）制備時間短，工藝過程簡單，生產成本低，對設備要求不高，適用于工業化生產，另外該工藝不需施加機械壓力，可以生產外形復雜的大尺寸部件，且能夠做到近尺寸成形，且材料最終的致密度高，開孔率低。

但是采用反應熔滲法（RMI）制備陶瓷基復合材料時，為了獲得流動性和滲入性好的金屬熔體，通常需要將設備加熱到較高溫度（一般溫度高于1800℃），制備過程中易造成基體中的增強相碳纖維損傷嚴重，使得復合材料的力學性能降低，斷裂韌性較差，影響復合材料的機械性能。因此，降低反應熔滲工藝的成為當前研究的一個重要方向。

發明內容

本發明的目的是一種通過低溫反應熔滲改性碳/碳復合材料的制備方法，該方法能夠降低熔滲溫度，能夠在盡可能低的溫度條件下制備得到具有較好物相結構的改性碳/碳復合材料。

本發明這種改性碳/碳復合材料的制備方法，包括以下步驟：

1）將碳纖維預制體進行高溫預處理，得到預處理后的碳纖維預制體；

2）將步驟1）中的預處理碳纖維預制體采用化學氣相沉積法沉積熱解碳層或者通過浸漬炭化法制備樹脂碳層，最終得到多孔的碳/碳復合材料；

3）將金屬X粉、B粉和Si粉在保護氣氛下進行球磨，得到B-Si-X混合粉末；

4）將步驟2）中的多孔的碳/碳復合材料包埋于步驟3）中的B-Si-X混合粉末中，然后早設定溫度下進行低溫熔滲反應，反應結束后，即可得到改性碳/碳復合材料。

所述步驟1）中，碳纖維預制體為針刺整體氈預制件，優選為無緯布-網胎疊層針刺碳纖維預制體；碳纖維預制體的0.3~0.9g/cm³；所述的高溫熱處理過程具體為：將碳纖維預制體置于高溫石墨爐中，接著以升溫速率為5~10℃/min，升溫至2000~2300℃，再接著保溫1~3h；然后以降溫速率為5~8℃/min，降溫至1200℃，最后隨爐冷卻。