[發明專利]連續纖維增強ZrC/SiC復合零件的制備方法及產品

在審

• 申請號: 202111596618.5
• 申請日: 2021-12-24
• 公開（公告）號: CN114230347A
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發明（設計）人: 閆春澤;李昭青;周子翔;陳安南;王長順;吳思琪;陳文杰;鐘志文;許玉榮;李建軍;史玉升
• 申請（專利權）人: 華中科技大學;湖北航天技術研究院總體設計所
• 主分類號: C04B35/573
• 分類號: C04B35/573;C04B35/577;C04B35/56;C04B35/622;C04B35/628
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 尚威;孔娜

本發明屬于高溫陶瓷基復合材相關技術領域，并公開了一種連續纖維增強ZrC/SiC復合零件的制備方法及產品。其具體步驟包括：S1采用增材制造技術制備連續纖維增強樹脂初坯；S2將該初坯進行熱解碳化獲得碳初坯；S3在制得的碳初坯中碳纖維表面生成保護層保護連續纖維；S4將碳初坯在熱固性酚醛樹脂溶液中進行浸滲，固化，然后再次熱解碳化進行增密；S5重復步驟S4多次獲得最終的碳預制體，將該碳預制體進行Zr?Si反應燒結，使得其中的熱解碳與Zr?Si發生反應生成ZrC?SiC，以此獲得連續纖維增強ZrC/SiC復合材料零件。通過本發明，解決SiC產品不耐高溫以及碳纖維增強ZrC中成分結構分布不均的問題。

技術領域

本發明屬于高溫陶瓷基復合材料相關技術領域，更具體地，涉及一種連續纖維增強ZrC/SiC復合零件的制備方法及產品。

背景技術

ZrC陶瓷具有高熔點(3540℃)、高強度、高硬度及良好的抗熱震性能。同時，在高溫氧化環境中，其氧化產物ZrO₂不但熔點高(2770℃，高于HfO₂和TaO₂)，而且具有相對低的蒸汽壓和導熱率，是理想的高溫陶瓷材料。此外，與HfC、TaC相比，ZrC具有較低的密度，更便宜的價格，更適合航空航天應用中的輕量化需求。SiC具有高比強度和比模量，與碳基體熱膨脹系數相差不大(α-SiC為3.8-5.2e^-6/℃,熱解炭(PyC)為1.0-2.0e^-6/℃)，可有效緩解復合材料在制備和使用過程中出現的熱脹系數適配性問題。因此，制備連續纖維增強ZrC/SiC復合材料將具有較高的耐燒蝕性能，同時纖維能夠增強增韌陶瓷基體，使制得的ZrC/SiC復合材料零件具有優異的力學性能。

ZrC/SiC復合材料以低密度、高強度、抗氧化、耐燒蝕沖刷等性能成為高速飛行器防護系統，航空發動機熱端部件，高性能剎車系統等的必需材料。采用傳統的方法很難成行大型復雜結構的陶瓷零件，有些復雜零件甚至無法整體成形。增材制造技術采用逐層制造并疊加的方式，很適合成形復雜結構的零件，但陶瓷融化溫度高，脆性大，直接激光融化，得到的零件有很大的應力，且很容易有裂紋。

CN201510881857.3公開了一種碳纖維增強碳化鋯復合材料及其制備方法，該方法采用碳纖維預制體為增強體，然后重復采用真空浸漬鋯源、交聯固化鋯源制備得到碳纖維增強碳化鋯復合材料。首先該方法采用的碳纖維預制體為固定形狀，后期還需采用機加工工藝制備零件，工藝復雜；其次該方法采用真空浸漬鋯源、交聯固化鋯源，鋯源浸滲深度較淺，無法實現材料成分結構均勻分布。CN201910874219.7公開了一種碳纖維-碳化鋯復合材料的制備方法，該方法將涂覆有碳化鋯的碳纖維編織體浸漬在碳化鋯前驅體溶膠中，然后在真空干燥箱中干燥，此后放入燒結爐中在惰性氣體氣氛中裂解，制得碳纖維-碳化鋯復合材料。該方法仍然面臨零件需后期加工成形，且碳化鋯前驅體溶膠浸滲不均造成碳纖維-碳化鋯復合材料成分結構不均等問題。CN201910684009.1公開了一種基于増材制造的連續纖維增強SiC零件制備方法及產品，該方法采用增材制造制備初坯，熱解碳化制備碳預制體，再采用反應燒結制得連續纖維增強SiC零件，該方法制備的為SiC零件，不能夠使用在高溫環境。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種連續纖維增強ZrC/SiC復合零件的制備方法及產品，解決SiC產品不耐高溫以及碳纖維增強碳化鋯中成分結構分布不均的問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種連續纖維增強ZrC/SiC復合零件的制備方法，該制備方法包括下列步驟：

S1根據待成形的ZrC/SiC復合零件的三維結構，采用連續纖維和粘結劑作為原材料進行增材制造，以此獲得連續纖維增強的樹脂初坯；

S2將所述樹脂初坯進行熱解碳化獲得碳初坯，在該熱解碳化過程中，所述樹脂初坯中的樹脂熱解碳化形成碳，同時，所述樹脂初坯體積收縮形成氣孔；