[发明专利]一种夹层结构C/C超高温陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及陶瓷复合材料制备技术领域，具体涉及一种夹层结构C/C超高温陶瓷复合材料及其制备方法。所述制备方法具体包括：将短纤维铺展在碳纤维预制体的两侧，采用针刺工艺制备夹层纤维预制体；将所述夹层纤维预制体置于化学气相沉积炉中，采用化学气相沉积法沉积热解炭或碳化硅中的一种或两种，获得夹层结构C/C多孔骨架；采用先驱体浸渍‑裂解、化学气相沉积或高温熔渗反应中的一种或多种方法，将超高温陶瓷相引入至所述夹层结构C/C多孔骨架，获得夹层结构C/C超高温陶瓷复合材料。实现了C/C超高温陶瓷复合材料结构设计与制备上的创新，通过超高温陶瓷基体改性，能有效地提升C/C基体的耐烧蚀性能和抗热震性能。

技术领域

本发明涉及陶瓷复合材料制备技术领域，具体涉及一种夹层结构C/C超高温陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

C/C复合材料具有密度低、比强度高、耐腐蚀、抗热震、高温稳定性好等特性，尤其是在≤2300℃的高温环境中，其力学性能不降反升；因此C/C复合材料独特的高温性能使其在航空航天领域受到了特别的关注。目前，它已成为理想的高温结构材料，在航空航天领域存在巨大的应用潜力。炭材料在有氧环境下，高于400℃便开始氧化，且氧化速率随温度快速增加，从而导致材料结构被破坏，性能下降严重。因此，C/C复合材料在有氧环境中易氧化的缺点制约了其工程化应用推广。

超高温陶瓷（UHTC）基体改性是提高C/C复合材料高温抗氧化耐烧蚀性能的有效方法。目前采用的超高温陶瓷基体改性技术包括化学气相渗透、高温熔渗反应、先驱体浸渍裂解、料浆浸渍改性等。因难熔金属铪、锆、钽的前驱体分子量较大，化学气相渗透过程中，较难实现HfC、ZrC、TaC的均匀渗透，且易在表层发生封孔现象，因此应用推广受到一定的限制。料浆浸渍改性法虽然可以将超细陶瓷颗粒引入C/C多孔骨架中，但引入的陶瓷颗粒在基体中分布不均匀，且浸渍过程中易产生封孔现象，阻碍了后续材料的进一步致密化。先驱体浸渍裂解与高温熔渗反应技术虽然已日趋成熟，但同样存在缺点。先驱体浸渍裂解工艺存在周期长、成本高等缺点，且目前开发的超高温陶瓷先驱体裂解后陶瓷收得率低且含有一定的炭相，因此，导致制备的材料中，实际超高温陶瓷含量较低，材料的高温耐烧蚀性能提高程度有限。高温熔渗反应虽然能制备高陶瓷相含量的C/C超高温陶瓷复合材料，但熔渗过程中，由于熔渗料与炭基体反应不充分，制备的陶瓷基体中往往存在熔渗残余单质相（如Si、Zr等），这些低熔点的残余单质相往往成为烧蚀的薄弱环节，影响了材料耐烧蚀性能的进一步提高。

发明内容

针对上述技术问题，提高复合材料的超高温陶瓷相含量，进一步提升材料的高温耐烧蚀性能，本发明通过对超高温陶瓷碳纤维基体进行改进，形成内密外疏的夹层碳纤维预制体，再通过碳沉积以及超高温陶瓷材料的引入获得包括C/C超高温陶瓷内层及高含量超高温陶瓷外层，该夹层结构实现了超高温陶瓷外层优异耐烧蚀性能与C/C超高温陶瓷内层良好高温力学性能的融合，且外层陶瓷结构中含有碳纤维，显著提高了陶瓷外层的抗热震性能。

针对上述目的，本发明实施例提供了一种夹层结构C/C超高温陶瓷复合材料的制备方法，所述制备方法具体包括以下步骤：

S1:将短纤维铺展在碳纤维预制体的两侧，采用针刺工艺制备获得“短纤维层+普通碳纤维层+短纤维层”夹层纤维预制体；

S2:将所述夹层纤维预制体置于化学气相沉积炉中，采用化学气相沉积法沉积热解炭或碳化硅中的一种或两种，获得夹层结构C/C多孔骨架；

S3:采用先驱体浸渍-裂解、化学气相沉积或高温熔渗反应中的一种或多种昂方法，将超高温陶瓷相引入至所述夹层结构C/C多孔骨架，获得夹层结构C/C超高温陶瓷复合材料。

进一步的，所述碳纤维预制体为碳纤维编织或缠绕体，具体为碳布叠层、针刺毡、穿刺三维、针刺和缝合结构的多维纤维预制体。

进一步的，所述夹层纤维预制体中短纤维层的体积密度低于普通碳纤维层，短纤维层的体积密度≤0.3 g/cm³。

进一步的，所述短纤维的纤维长度为2-15cm。