[发明专利]耐超高温陶瓷基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料及其制备工艺，尤其涉及一种耐超高温陶瓷基复合材料及其制备工艺。

背景技术

随着飞行器飞行速度的提高和高可靠性、可重复使用要求，对材料性能也提出了越来越高的要求，如空天飞行器再入大气层时，速度高达30马赫，形成强激波，空气被强烈压缩，压力、温度急剧上升，飞行器的鼻锥、机翼前缘等部位，要经受瞬时超高温(2000～3000℃)、大热流(数十兆瓦到数百兆瓦)的严酷热环境。又如固体火箭发动机热端部件(如喉衬)，需承受复杂的热应力环境、2000～3000℃的高温以及Al₂O₃陶瓷粒子的高速冲刷等，因此亟需开展耐超高温、零烧蚀材料的研究。

目前常用的耐高温材料体系主要包括：C/C复合材料、SiC陶瓷基复合材料(C/SiC、SiC/SiC)、难熔金属、耐超高温陶瓷及其复合材料等。C/C复合材料具有耐高温、高温强度和模量高的优点，但C/C复合材料存在烧蚀率大、抗氧化和抗冲刷性能差等缺点。与C/C相比，C/SiC及SiC/SiC复合材料有较好的抗氧化性能，但长时间使用温度分别不超过1750℃和1350℃。难熔金属是使用较早的耐超高温材料，但存在密度高(如铼和铱的密度超过21g/cm³)、抗氧化性能差的缺点。耐超高温陶瓷主要包括金属的碳化物和硼化物，具有熔点高、耐超高温、耐烧蚀性能和抗氧化性能好、尺寸稳定性优良等特点，是目前最有潜力的一种耐超高温材料。常用的耐超高温陶瓷主要包括ZrB₂+SiC、ZrB₂+SiC+C、HfB₂+SiC等，这些材料具有优异的耐超高温、抗烧蚀性能，但由于采用热压工艺制备，材料抗热震性能差，大型复杂构件难以成型，可靠性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有较高的断裂韧性、较好的抗热震性、耐烧蚀、抗冲刷、抗氧化的耐超高温(2000～3000℃)陶瓷基复合材料，还提供一种制备耐超高温陶瓷基复合材料的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种耐超高温陶瓷基复合材料，其特征在于所述复合材料是以碳纤维布或氮化硼纤维布为增强相，以高熔点陶瓷粉体和/或耐高温金属粉体为填料，以碳或碳化硅为基体，其中各组分的体积分数为：

纤维布增强相  20～45％，

填料          5～40％，

基体          15～35％，

孔隙率        5～20％。

上述作为复合材料增强相的碳纤维布或氮化硼纤维布为二维纤维布或者单向纤维的无纬布。此外，还可以采用石墨纤维布。

上述作为复合材料填料的高熔点陶瓷粉体为硼化物陶瓷粉体、碳化物陶瓷粉体、氮化物陶瓷粉体、氧化物陶瓷粉体中的一种或几种。

所述硼化物陶瓷粉体选用的硼化物为ZrB₂、HfB₂、TaB₂、WB₂、NbB₂、TiB₂中的一种或几种，所述碳化物陶瓷粉体选用的碳化物为ZrC、TaC、HfC、WC、TiC、NbC中的一种或几种，所述氮化物陶瓷粉体选用的氮化物为BN、Si₃N₄、HfN、ZrN中的一种或几种，所述氧化物陶瓷粉体选用的氧化物为Al₂O₃、ZrO₂、HfO₂中的一种或几种。

上述作为复合材料填料的耐高温金属粉体选用的金属为W、Re或Ir中的一种或几种。

上述作为复合材料基体的碳或碳化硅是采用先驱体转化工艺生成得到。

本发明还提供一种制备上述耐超高温陶瓷基复合材料的方法，其特征在于：将胶粘剂与高熔点陶瓷粉体或耐高温金属粉体混合球磨后形成浆料，将浆料涂刷在增强相纤维布上，然后叠层、模压、交联得到粗坯，将粗坯置于裂解炉中，在惰性气体或N₂保护下进行800～1800℃的高温裂解，裂解后制得耐超高温陶瓷基复合材料样品，最后对耐超高温陶瓷基复合材料样品进行致密化，得到耐超高温陶瓷基复合材料成品；所述胶粘剂为聚碳硅烷(PCS)溶液或酚醛树脂溶液，所述PCS溶液是由质量比为1∶(1～0.3)∶(0～0.5)的PCS、二乙烯基苯和二甲苯配制而成；所述酚醛树脂溶液是由质量比为1∶(1～1.5)的酚醛树脂和丙酮或质量比为1∶(1～1.5)酚醛树脂和乙醇配制而成，所述胶粘剂占浆料的总体积比控制在15～50％。