[发明专利]一维碳化铪HfC材料改性炭/炭复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种一维碳化铪HfC材料改性炭/炭复合材料的制备方法，是低压化学气相沉积(CVD)制备一维碳化铪(HfC)材料改性炭/炭(C/C)复合材料的方法。

背景技术

C/C复合材料是以碳纤维增强碳基体的复合材料，它具有轻质、高比模、高比强、低热膨胀系数、抗烧蚀、抗热震、耐高温等一系列独特的优异性能，尤其在2000℃左右的惰性环境中可以保持甚至比室温更好的力学性能，这使其作为高温结构材料在航空航天领域得到广泛重视。众所周知，C/C复合材料由单一的碳元素构成，具有炭素材料在500℃就开始迅速氧化的特性。因此，需对C/C复合材料在高温环境下进行热防护，以提高其高温使用性能。对于在超过2000℃的高速燃气流冲刷的条件下，C/C复合材料的保护有热防护技术。一是涂层技术，即在C/C复合材料表面制备难熔金属碳化物、硼化物等陶瓷涂层；二是基体改性技术，即在C/C复合材料的基体中引入难熔金属碳化物、硼化物等陶瓷相。

HfC作为重要的难熔陶瓷材料之一，具有一系列优异的性能，包括超高的熔点(～3900℃)、高硬度(韦氏硬度：26.1GPa)、良好的导热性、耐蚀性以及耐磨性，尤其是在极端苛刻的超高温氧化腐蚀环境中仍拥有很好的化学惰性和抗热震性，是用于C/C复合材料的抗烧蚀保护的候选材料之一。故HfC已被制成抗烧蚀涂层或炭基体内部的抗烧蚀组元，以此对C/C复合材料提供高温防氧化和烧蚀的保护。目前，在国外，法、俄等国已研制了HfC改性的C/C复合材料喉衬。在国内，西北工业大学的李淑萍和李翠艳等研究了HfC基体改性C/C复合材料。研究结果表明了HfC能明显改善C/C复合材料的抗烧蚀性能。然而，在他们制备的HfC改性C/C复合材料中，HfC以微米级大颗粒相存在于炭基体中，团聚较大，导致了C/C复合材料力学性能的降低。而且，不仅对于HfC，其它陶瓷改性的C/C复合材料也表现出力学性能降低。

一维HfC材料不仅具备块体材料的优良的高温热稳定性和化学稳定性，而且由于原子在一维方向上规则有序排列，其具备极佳的力学性能。此外，其具有特殊几何特征，包括高的长径比和比表面积。考虑到C/C复合材料在极端的超高温条件下热化学烧蚀和机械剥蚀过程，一维HfC材料由于自身特殊的几何特征，与HfC的颗粒相相比，可通过桥接机制在烧蚀过程中可进一步减少机械剥蚀。这些特性使一维HfC成为C/C复合材料理想的第二相纤维增强材料。因此，鉴于一维HfC材料的以上优良特性，若采用改性技术将一维HfC材料引入C/C复合材料的炭基体中，既可实现C/C复合材料抗烧蚀性能又不降低其力学性能。然而，一维HfC材料改性C/C复合材料的制备和研究未见报道。

目前，制备HfC改性C/C复合材料的方法主要是金属盐溶液浸渍法。

文献1“Shuping.Li,Kezhi Li,Hejun Li,Yulong Li,Qinlu.Yuan.Effect of HfC on the ablative and mechanical properties of C/C composites.Mater.Sci.Eng.A 2009；517(1-2):61-67”介绍了采用金属盐溶液浸渍法制备HfC改性C/C复合材料，具体过程是将炭纤维预制体浸泡在HfOCl₂的溶液中，然后热梯度CVI致密化，再经石墨化处理使HfO₂转变为HfC得到HfC改性的C/C复合材料。采用该方法制备的HfC改性C/C复合材料抗烧蚀性能提高，但力学性能大幅度降低。

文献2“Cuiyan Li,Kezhi Li,Hejun Li,Haibo Ouyang,Yulei Zhang,Lingjun Guo.Ablation resistance and thermal conductivity of carbon/carbon composites containing hafnium carbide.Corros.Sci.2013；75:169-175”报道了采用文献1中的相同方法制备了HfC改性C/C复合材料。在所制备的HfC改性C/C复合材料中，HfC以颗粒相形式存在于在C/C复合材料的基体中，且分布不均匀。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种一维碳化铪HfC材料改性炭/炭复合材料的制备方法，同时改善C/C复合材料的抗烧蚀性能和力学性能。

技术方案

一种一维碳化铪HfC材料改性炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：