[发明专利]一种纤维增强碳-碳化硅-碳化锆基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纤维增强多相陶瓷基复合材料的制备技术，特别是采用难溶金属碳化物对复合材料基体进行改性的工艺技术。

背景技术

碳纤维增强碳陶基（C/C-SiC）复合材料是一种新型高性能热结构材料，具有高比强、高比模、耐腐蚀、抗热震等优异性能，在航空航天等高新技术领域具有非常大的应用潜力。但是随着服役环境的复杂化，对材料体系提出了更高的要求，且要求材料体系具有更强的可设计性。C/C-SiC复合材料在1600℃以上难以满足抗氧化、耐烧蚀的性能需求。为了进一步提高C/C-SiC复合材料的抗氧化性和烧蚀性能，在材料中引入超高温陶瓷相（主要为难熔金属碳化物）是一种有效方法。这主要归因于超高温陶瓷具有高熔点、优异高温力学性能、抗氧化和耐烧蚀等特点。

碳化锆（ZrC）属于典型难溶金属碳化物，其熔点高达3420℃，在高温氧化环境下会生成粘稠的氧化层，保护材料被进一步氧化剥蚀，使材料具有优异的高温稳定性。目前将ZrC引入到C/C-SiC复合材料中的方法主要有溶液浸渍裂解法和锆合金渗透反应法等。这些工艺技术不仅制备周期长且成本高，不利于工业化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺过程简单，可实现净尺寸成型纤维增强碳-碳化硅-碳化锆基（C/C-SiC-ZrC）复合材料的制备方法。

具体实施方案如下：

一种纤维增强碳-碳化硅-碳化锆基复合材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

（a）将一定比例的ZrC纳米粉末加入到一定量的无水乙醇中，经充分搅拌和超声振荡后使ZrC纳米粉末在无水乙醇中均匀分散；

（b）将酚醛树脂与步骤（a）获得的ZrC分散液按照一定质量比混合，使酚醛树脂溶解在无水乙醇中并采用超声波振荡使ZrC纳米粉末均匀分散形成浆料；

（c）将二维碳纤维布浸入到步骤（b）获得的浆料中进行充分浸渍，干燥经过浸渍的二维碳纤维布，然后在模具中对该二维碳纤维布进行连续叠加铺层，并在叠加铺层后进行固化和后固化处理，制备纤维增强素坯体；

（d）将步骤（c）获得的纤维增强素坯体置于高温石墨炉内，以预设升温速率升温到900℃以上进行裂解，获得均匀弥散ZrC颗粒的多孔C/C预制体；

（e）将硅粉放置于石墨坩埚中，并将步骤（d）获得的多孔C/C预制体埋置在硅粉中，将石墨坩埚置于高温石墨炉内，以预设升温速率加热至1500-1650℃并保温预定时间进行液硅渗透，得到纤维增强碳-碳化硅-碳化锆基复合材料。

在步骤（a）中，ZrC纳米粉末的纯度优选在99.0%以上，粒度优选为10-60nm，若粉末粒度较大时，需要经高能球磨减小粒度。此外，ZrC纳米粉末与无水乙醇的质量比优选为0.025-0.125：1。

在步骤（b）中，对使用的酚醛树脂种类没有特别限制。ZrC分散液中的ZrC纳米粉末与酚醛树脂的质量比优选为0.02-0.1：1，通过采用超声波震荡，可以得到均匀弥散ZrC纳米粉末的树脂胶液。此外，为了促进酚醛树脂在无水乙醇中的溶解，优选与ZrC分散液混合前对酚醛树脂进行碎化处理，并优选在30-50℃之间加热混合液直到酚醛树脂在无水乙醇中的溶解过程完成。

在步骤（c）中，二维碳纤维布为T300、T700或其它品次。将二维碳纤维布在步骤（b）获得的浆料中充分浸渍，充分浸渍后经过干燥过程，无水乙醇挥发，二维碳纤维布的纤维束内均匀弥散树脂和ZrC纳米粉末，其弥散质量与二维碳纤维布的质量比优选为1：1.4-2.6。对叠加铺层后的二维碳纤维布优选施加2-5MPa的压力，这样可使树脂固化交联过程中释放的气体被挤压排除，从而制备出紧密铺层的纤维增强素坯体。固化条件优选为130-150℃、6-10小时，后固化条件为180-230℃、20-30小时。此外，对铺层数没有特别限制，可根据材料厚度要求适当调整。