[發明專利]一種分區改性的異形碳纖維增強復合材料構件及制備方法

在審

• 申請號: 202211313942.6
• 申請日: 2022-10-25
• 公開（公告）號: CN115894039A
• 公開（公告）日: 2023-04-04
• 發明（設計）人: 李賀軍;李偉;史小紅;呂君帥;田新發;鐘磊;滕柳
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C04B35/571
• 分類號: C04B35/571;C04B35/577;C04B35/56;C04B35/80;C04B35/83;C04B35/622
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種分區改性的異形碳纖維增強復合材料構件及制備方法，采用先驅體浸漬裂解技術，將異形碳纖維增強復合材料構件的頂端浸漬于前驅體溶液中。將化學氣相沉積爐中，通過沉積熱解碳提高底端未浸漬區域致密性，從而得到各區域微觀結構及物相組成不同、陶瓷相含量從構件頂端至底部呈梯度分布的異形復合材料構件。本發明分區改性的異形復合材料構件兼具陶瓷材料的高溫氧化抗性和碳材料密度低、導熱性好的優勢。利用了構件底端高導熱性的熱解碳對熱量的快速傳導屬性實現了構件在燒蝕過程中表面溫度的快速下降，改善整體構件頂部熱量集中問題，減小了構件內部的溫度梯度，降低構件整體密度的同時可有效提升構件的耐燒蝕性能。

技術領域

本發明屬于碳纖維增強復合材料的制備方法，涉及一種分區改性的異形碳纖維增強復合材料構件及制備方法。

背景技術

目前對于碳纖維增強復合材料氧化/燒蝕防護領域的研究主要集中在平板狀構件上，但在實際應用過程中碳纖維增強復合材料往往以楔形、薄壁、頭錐、球頭等形狀更為復雜的構件形式存在，平面構件與異形構件在實際服役過程中所處的環境存在明顯差異。因此深入研究現有防護體系應用于復雜構件時是否仍具有良好的效果具有重要意義。目前針對異形碳纖維增強復合材料構件的防護手段主要包括涂層技術和基體改性技術。相對于平板狀樣品，在異形碳纖維增強復合材料構件上制備涂層需要考慮更多因素，這對研究人員提出了更大的挑戰。文獻一“Bo?Li,Hejun?Li,Xu?Hu,et?al.Effect?of?the?curvatureradius?of?sharp?leading?edge?parts?made?of?a?SiC/ZrC-SiC?coated?C/C?compositeon?their?ablation?resistance[J].Journal?of?the?European?Ceramic?Society,2020,40:2768–2780”通過原位反應法在尖銳狀C/C樣品上制備了SiC/ZrC-SiC涂層，構件尖端的涂層由于局部應力集中產生了裂紋，這些裂紋成為氧氣擴散的通道，導致試樣的燒蝕性能不佳。基體改性技術則是在構件內部引入抗燒蝕組元，從而提高構件的燒蝕抗性。文獻二“Yue?Liu,Qiangang?Fu,Yiwen?Guan，et?al.Ablation?behavior?of?sharp-shape?C/C-SiC-ZrB₂?composites?under?oxyacetylene?flame[J].Journal?of?Alloys?andCompounds,2017,713:19-27.”中提出通過反應熔滲在銳形構件中引入抗燒蝕組元。然而，在熔滲的過程中碳纖維與熔體發生反應，對碳纖維的完整性造成破壞，大大衰減了構件的力學性能。文獻三“Jing?Xie,Kezhi?Li,Hejun?Li,et?al.Ablation?behavior?andmechanism?of?C/C–ZrC–SiC?composites?under?an?oxyacetylene?torch?at?3000℃.[J].Ceramics?International,2013,39:4171-4178”中提出通過先驅體浸漬裂解制備C/C-ZrC-SiC復合材料，引入的ZrC相與SiC相組成鑲嵌結構，均勻分布在C/C復合材料內部，燒蝕過程中ZrC氧化形成熔融的ZrO₂層可以作為阻擋氧氣和熱擴散的屏障，保護內部碳纖維不受破壞。先驅體浸漬裂解(PIP)技術可以同時引入多種陶瓷組元，具有可設計性強、產物純凈且分布均勻、可實現凈尺寸成形等優點。相較于反應熔滲，PIP的熱處理溫度較低，對纖維的損傷小，工藝穩定，更適用于異形構件的改性。目前的研究雖然一定程度上提升了碳纖維增強復合材料的抗燒蝕性能，但是損失了碳纖維增強碳基復合材料中熱解碳密度低、高導熱性的優勢，容易造成構件頂端熱量過度集中，加速構件頭部的失效。因此本專利提出采用PIP結合化學氣相滲積法分區改性低密度碳纖維增強復合材料，在浸漬過程中僅將頭部浸入前驅體溶液中，在毛細作用下，構件內部的陶瓷相呈梯度分布，靠近熱源的頭部區域陶瓷相含量高；通過化學氣相滲積技術在尾部多孔結構中沉積導熱性能優異的熱解碳，使得遠離燒蝕熱源的尾部區域熱解碳含量高，從而實現構件內部超高溫陶瓷與熱解碳的雙梯度分布。該發明在引入抗燒蝕組元的同時，充分利用熱解碳的導熱性能，能夠降低構件頭部的服役溫度，從而降低異形件在燒蝕過程中的損耗。