[发明专利]一种C/C-TiC碳陶复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种C/C‑TiC碳陶复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)碳纤维预制体的制备和预处理；(2)碳纤维预制体碳纤维表面制备保护涂层；(3)将带有保护涂层的碳纤维预制体增密制得多孔C/C预制体；(4)将多孔C/C预制体高温热处理；(5)钛蒸汽挥发渗入其上方的多孔C/C预制体中，制备得到C/C‑TiC碳陶复合材料。本发明制备方法操作简单，成本低，工艺周期短，实现C/C‑TiC碳陶复合材料的近净成形，制得的C/C‑TiC碳陶复合材料结合强度高，密度低，耐磨损。

技术领域

本发明涉及一种碳陶复合材料的制备方法，具体指一种C/C-TiC复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

碳化钛陶瓷熔点高、密度小，硬度高于SiC、ZrC等陶瓷，抗磨损性能优异，在耐磨材料、切削刀具、机械抗磨零件等领域具有广泛的应用前景。然而，和几乎所有的陶瓷材料类似，碳化钛陶瓷的脆性大，断裂韧性低，很容易发生灾难性破坏，大大限制了其进一步的推广应用。碳纤维具有十分优异的力学性能，其可作为增韧材料，有效提高陶瓷材料的断裂韧性，克服陶瓷材料的脆性问题。采用碳纤维对碳化钛陶瓷进行增韧，制备出碳纤维增强碳化钛陶瓷，能充分发挥碳化钛陶瓷和碳纤维的优异性能，应用前景广阔。文献“G.M.Song,Q.Li,G.W.Wen,Y.Zhou.Materials Science and Engineering A326(2002)240–24”和“J.Y.Rossignol,J.M.Quenisset,R.Naslain.Composites,18(2)(1987)：135-144”公开报道了采用热压烧结法和化学气相渗透法制备碳纤维增强碳化钛陶瓷复合材料，结果表明碳纤维的加入大大提高了TiC陶瓷的断裂韧性。然而，热压烧结法材料制备需要较大的压力和较高的温度，成本高，采用该法也难于制备出形状复杂的构件。化学气相渗透法材料制备周期长，往往需要数百小时增密样品，材料制备成本高。此外，化学气相渗透工艺中材料表面的气孔也容易堵塞，需要加工表面以保证后续增密过程的进行。

在前期研究中，报道了一种钛金属熔体反应熔渗制备C/C-TiC复合材料的工艺(Y.G.Tong,S.X.Bai,K.Chen.Materials ScienceEngineering A 556(2012)980–983)，该工艺周期短，成本低，可以制备形状复杂构件。然而，该工艺通过钛金属熔体渗入多孔碳预制体与固体碳反应形成碳化钛陶瓷基体，熔体与碳反应速度快，难于有效控制；高温熔体与碳反应时不可避免的会与部分碳纤维发生反应，导致碳纤维强度损伤；反应过程控制不当易导致碳陶复合材料内部残留有少量残余金属，影响碳陶复合材料的性能。因此，开发一种新型的高效率、低成本、能有效控制C/C-TiC复合材料结构和性能的制备工艺已成为推进其广泛应用的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种C/C-TiC碳陶复合材料的制备方法，使得制备周期短、成本低，并且制备得到的C/C-TiC碳陶复合材料密度低、强度高，抗摩擦磨损性能好。

本发明提供的一种C/C-TiC碳陶复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)碳纤维预制体的制备和预处理；

(2)碳纤维预制体碳纤维表面制备保护涂层；

(3)将带有保护涂层的碳纤维预制体增密制得多孔C/C预制体；

(4)将多孔C/C预制体高温热处理；

(5)金属钛加热，钛蒸汽挥发渗入其上方的多孔C/C预制体中，制备得到C/C-TiC碳陶复合材料。

步骤(1)中碳纤维预制体的制备是对碳纤维或碳纤维布采用针刺、碳布叠层穿刺、三维编织或多维整体编织的方式制备得到纤维体积分数为10％-50％的碳纤维预制体。优选体积分数为20％-35％。