[发明专利]一种碳纤维增强（碳-）碳化硅基-超高温陶瓷基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳纤维增强(碳‑)碳化硅基‑超高温陶瓷基复合材料及其制备方法，属于超高温陶瓷基复合材料技术领域。该复合材料根据碳纤维、热解碳(PyC)、碳化硅(SiC)、超高温陶瓷(UHTC)各组元的特点将它们组合成四个功能区，即：碳纤维承力骨架区、PyC界面层区、PyC‑SiC承力～抗氧化区、超高温抗氧化耐烧蚀区，采用CVI‑PIP‑CVD复合工艺制备出一种具有优异力学性能、耐高温抗氧化性能的复合材料。

技术领域:

本发明涉及超高温陶瓷基复合材料技术领域，具体为一种碳纤维增强(碳-)碳化硅基-超高温陶瓷基复合材料及其制备方法。

背景技术:

高速飞行器再入过程中要承受超高温(≥1600℃)、高热流、机械应力和热载荷等作用，因此要求防热材料具有很好的力学性能、抗氧化性能、抗热震和抗烧蚀性能。目前，C/C复合材料在高温无氧环境下具有优异的力学和热学性能，但在有氧条件下超过450℃即开始发生氧化；在此基础上发展了C/(C～)SiC复合材料，显著提高了其力学性能和抗氧化性能，而当温度进一步提高到1650℃以上时，SiC的活性氧化限制了其使用范围。

超高温陶瓷(Ultra～high～temperature ceramic，UHTC)熔点一般在3000℃以上，具有优异的抗氧化、抗烧蚀性能，大量研究表明，UHTC的引入可大大提高C/C和C/SiC材料的抗氧化、抗烧蚀性能，从而实现超高温零烧蚀。然而，目前制备的碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料大多是以单一的C或SiC为基体，其力学性能相对较低，密度相对较高，难以同时满足低密度、高力学性能、长时抗氧化和抗烧蚀等需求。因此，本发明提出了一种材料结构设计理念以实现上述的要求，并且提供了一种实现材料的短周期、低成本的制备方法。

发明内容:

本发明的目的在于提供一种碳纤维增强(碳-)碳化硅基-超高温陶瓷基复合材料及其制备方法，所制备的复合材料具有复合基体，同时满足低密度、高力学性能、长时抗氧化和抗烧蚀等需求，制备方法周期短，成本低。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种碳纤维增强(碳-)碳化硅基-超高温陶瓷基复合材料，该复合材料由碳纤维承力骨架区、界面层区、综合性能调节区(PyC-SiC功能层)和抗氧化耐烧蚀区组成，其中：

碳纤维承力骨架区：是以碳纤维为原材料，采用针刺、编织等方法制备成的碳纤维预制体；

界面层区：采用PyC作为界面层并包裹在碳纤维周围，界面层起到裂纹偏转的作用，以提高材料的强度和韧性；

综合性能调节区：所述综合性能调节区为PyC-SiC功能层，是由热解碳基体和碳化硅基体组成，所述热解碳基体和碳化硅基体依次包覆在界面层上；所述PyC-SiC功能层能提高材料力学性能和抗氧化性能，通过改变其中热解碳基体(PyC基体)与碳化硅基体(SiC基体)的组成配比，可制备出多种综合性能优异的复合材料；

抗氧化耐烧蚀区：由超高温陶瓷(ZrC、ZrB₂、HfC)和SiC涂层组成，其中：超高温陶瓷覆盖在综合性能调节区中的碳化硅基体上，并在材料外表面沉积SiC涂层。

所述碳纤维预制体厚度为1～20mm，界面层厚度为0.1～3μm，所述超高温陶瓷(UHTC)为ZrC、ZrB₂和HfC中的一种或几种。

所述碳纤维增强(碳-)碳化硅基-超高温陶瓷基复合材料采用化学气相渗(CVI)、前驱体浸渍裂解(PIP)和化学气相沉积(CVD)复合工艺实现材料的制备，具体包括如下步骤：

(1)将碳纤维预制体置于沉积炉中，以C₃H₈为碳源，Ar或N₂为稀释气和保护气，采用CVI工艺，沉积PyC界面层，通过沉积时间控制界面层厚度；