[发明专利]一种新型多元单相超高温陶瓷改性碳/碳复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种新型多元单相超高温陶瓷改性碳/碳复合材料及其制备方法，所述的复合材料按体积百分数计含量如下：碳纤维20～45％；热解碳层15～40％；多元单相碳化物Hf_xZr_yTi_zC陶瓷相30～55％，其中，x＝0.10～0.65，y＝0.3～0.65，z＝0.05～0.25，x+y+z＝1；具体包括如下步骤：(1)将碳纤维预制体进行高温热处理后，置于化学气相沉积炉内沉积热解碳层，制备出多孔的碳/碳复合材料；(2)将沉积有热解碳层的碳/碳复合材料置于铪锆钛混合粉上，通过高温熔渗法制备得到Hf_xZr_yTi_zC多元单相碳化物超高温陶瓷改性的碳/碳复合材料。

技术领域

本发明属于碳化物陶瓷技术领域，具体涉及一种新型多元单相超高温陶瓷改性碳/碳复合材料及其制备方法。

背景技术

超高温陶瓷改性碳/碳复合材料(C/C-UHTCs)是在碳/碳复合材料内部引入超高温陶瓷(UHTCs)所形成的一种新型复合材料，它融合了碳/碳复合材料比强度高、抗热震性能好、高温力学性能优异以及超高温陶瓷抗氧化、耐烧蚀等优异特性，能有效的克服传统碳/碳复合材料易被氧化和超高温陶瓷材料对裂纹和热震敏感等缺陷，是非常理想的热防护材料，有望被广泛应用到航空、航天及核能等领域。

目前，超高温陶瓷改性体系主要集中在难熔碳化物、硼化物、氮化物和氧化物的陶瓷体系，Wang Y等人发表文献“Wang Y,Zhu X,Zhang L,et al.Reaction kinetics andablation properties of C/C-ZrC composites fabricated by reactive meltinfiltration[J].Ceramics International,2011,37(4):1277-1283.”报道了一种ZrC改性碳/碳复合材料，该ZrC改性碳/碳复合材料在3000℃，20s的短时烧蚀中具有良好的抗氧化烧蚀性能。Shu-Ping L等人发表文献“Shu-Ping L,Ke-Zhi L,He-Jun L,et al.Effectof HfC on the ablative and mechanical properties of C/C composites[J].Materials Science and Engineering:A,2009,517(1-2):61-67.”报道了一种HfC改性C/C复合材料，在2800℃的烧蚀条件下表现出良好的抗烧蚀性能，王玲玲等人发表文献“王玲玲,张玲,嵇阿琳,等.CVD-SiC涂层的C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能[J].宇航材料工艺,2013(2):78-82.”报道了一种SiC涂层改性C/C-SiC复合材料，该涂层-基体一体化改性C/C复合材料在600s的长时烧蚀实验中表现良好。然而这类二元陶瓷改性体系存在一些不足，主要是二元陶瓷改性组分仅仅在较窄的温度范围内具有较好的热防护作用，如ZrC、HfC在2500℃以下将产生的疏松不连续氧化产物，在强烈的机械剥蚀下易于剥落，无法起到有效的保护作用，对于如纯SiC改性的碳/碳材料，在烧蚀过程，由于原子氧在其氧化物SiO₂玻璃层中的快速扩散而发生活性氧化，导致其长期使用的温度极限在2000℃以内。