[发明专利]一种梯度自适应碳纤维/石英纤维复合增强金属磷酸盐基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种梯度自适应碳纤维/石英纤维复合增强金属磷酸盐基复合材料及其制备方法。该复合材料由多段式金属磷酸盐基体及其内部的纤维增强相构成，该多段式金属磷酸盐基体两端分别为耐烧蚀段和隔热段，中间段为过渡段，且其内部包含纳米级超高温陶瓷填料和空心微球，从耐烧蚀段外端向隔热段外端方向，纳米级超高温陶瓷填料的浓度梯度递减，而空心微球的浓度梯度递增。该梯度结构设计有效解决了成分配置不均所带来的性能差异问题，提高材料稳定性，使材料兼具耐高温和隔热性能，且制备成本低，在航空航天领域具有较大的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种磷酸盐基复合材料，特别涉及一种梯度自适应碳纤维/石英纤维复合增强金属磷酸盐基复合材料，还涉及其制备方法，属于航空航天材料技术领域。

背景技术

随着航空航天事业的高速发展，速度高、服役时间长、热环境恶劣等是未来飞行器发展的主要特点，对高性能复合材料的要求越来越苛刻，其中，主要要求材料能够拥有耐高温、承载及隔热等性能。

目前，陶瓷基复合材料具有优异的综合性能而成为这一领域常用材料。然而其仍具有生产成本高、脆性大、工艺复杂等缺点，尤其是在进行飞行器异形构件的制备过程中，容易存在崩边、加工精度不够等问题而进一步限制其应用。因此，性能优异且生产工艺简单的低成本磷酸盐基复合材料成为耐高温复合材料的首选体系。

到目前为止，研究人员在磷酸盐基复合材料做了大量的研究。专利公开号为CN102807353A的中国专利公开了一种纤维增强磷酸盐耐高温复合材料的制备方法，其采用纤维编织成立体织物或毡体，通过浸渍或涂布磷酸盐溶液后固化，获得的纤维增强磷酸盐耐高温复合材料可以耐800℃以上高温，且材料的密度在0.4~1.8g/cm³之间可调，而力学性能、导热率等根据材料的密度的不同而不同，如纤维体积分数大于30%，材料的密度为1.6g/cm³，材料的弯曲强度大于12MPa，当纤维的体积分数小于10%时，材料的密度为0.6 g/cm³，材料的弯曲强度大于10MPa，热导率低于0.05w/m·k，但是总的来说，其耐高温性能还是比较差的。专利公开号为CN102910928A的中国专利公开了一种耐超高温1700℃石英纤维增强磷酸盐基复合材料的制备方法，其通过引入石英纤维增强，可以将其弯曲强度提高到100MPa以上，1700℃条件下的弯曲强度可以达到20MPa，但是基于其采用单一的磷酸盐体系，其即使通过引入耐高温填料，如氧化铝、碳化钛、碳化钽等，其制备的复合材料耐高温性能最高只能达到1700℃。超高温陶瓷具有高熔点、高强度及其氧化产物粘度高、阻氧性能优异等特点，可以满足在2000℃以上的环境下应用。因此，超高温陶瓷改性磷酸盐基复合材料成为提高其耐高温性能的有效手段之一。除了添加高熔点陶瓷相外，纤维基体的结构设计也被认为是提高复合材料耐高温性能的方法。

然而，现有公开的陶瓷基复合材料2000℃以上氧乙炔焰烧蚀率高，且均为均质材料，具有整体均一性，在热端和冷端组成的成分一致，但是在实际应用环境中，飞行器仅仅只有外表面部分在短时间内需承受超高温环境，背面冷端更多的需求是具有理想的隔热性能。因此，急需开发一种外表面耐高温，而背面冷端具有良好的隔热性能非均质复合材料，以满足航天航空领域中飞行器的特殊环境需求。

发明内容

针对现有技术中纤维增强磷酸盐基复合材料在实际应用中存在2000℃以上氧乙炔焰烧蚀率高，无法同时满足表面耐高温，背面冷端可隔热等问题，本发明的第一个目的是在于提供一种梯度自适应碳纤维/石英纤维复合增强金属磷酸盐基复合材料，通过纳米级超高温陶瓷填料或空心微球改性金属磷酸盐与高强碳纤维和低热导石英纤维复合纤维进行分段复合，形成表面耐超高温、背面低热导的梯度自适应复合材料。由于纳米级超高温陶瓷填料和空心微球含量在多段式金属磷酸盐基体中连续梯度变化，提高了复合材料的稳定性，耐高温和隔热性能优异，表面耐高温达到2000℃以上，而背面温度最高不高于216℃。