[发明专利]一种纤维增强超高温陶瓷基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷基复合材料的制备方法，具体涉及一种通过浆料浸渍和反应熔渗制备纤维增强超高温陶瓷基复合材料的制备方法。

背景技术

航空航天技术的发展使飞行器的飞行速度越来越高，当飞行器再入大气时，某些部位要经受超高温(2000-3000℃)、大热流的严酷热环境。发动机热端部件，喉衬等部位，亦处于复杂的热应力环境并需承受2000-3000℃的高温以及强烈气流的高速冲刷等。恶劣的服役环境对材料提出了苛刻的要求，如高熔点、良好的抗烧蚀、抗氧化和抗热震性能、低热膨胀系数、低蒸汽压(特别是在高温下)以及良好的蠕变和疲劳性能等。为获得适用于极端服役环境的高性能超高温材料，世界各国广泛开展相关材料的探索与研究。

过渡族金属碳化物和硼化物，即超高温陶瓷(Ultra High Temperature Ceramics，UHTCs)，由于具有超过3000℃的熔点，成为众多高温材料中最具潜力的超高温材料之一。但是陶瓷材料固有的脆性和难于加工限制其作为大尺寸部件的应用。采用纤维增强超高温陶瓷被认为是改善以上缺点的有效途径，在该方面的研究已取得了较多成果。

聚合物浸渍/裂解(Polymer Infiltration/Pyrolysis，PIP)法和反应熔渗(Reactive Melt Infiltration，RMI)法是研制超高温陶瓷基复合材料的主要方法。两种方法各有特点，如PIP法能够在较低的温度下得到超高温相分布较均匀的材料，但是工艺过程复杂，材料制备周期长；RMI法能够提高超高温相在纤维束间区域的含量，但是熔渗温度高，易损伤纤维。然而，不管是何种方法，目前所研制的纤维增强超高温陶瓷基复合材料中超高温相的含量都较低，不利于材料在超高温条件下长时间使用。

发明内容

本发明旨在克服现有纤维增强超高温陶瓷基复合材料的制备方法存在的缺陷，本发明提供一种通过浆料浸渍和反应熔渗制备纤维增强超高温陶瓷基复合材料的制备方法。

本发明提供一种纤维增强超高温陶瓷基复合材料的制备方法，所述方法包括：

1)采用含有纳米碳化锆和酚醛树脂的浆料浸渍纤维预制体，经固化-裂解或直接裂解后，获得含ZrC的纤维预成型体；

2)以有机聚合物作为有机碳源前驱体浸渍含ZrC的纤维预成型体，裂解获得ZrC-C复合多孔中间体；

3)以二硅化锆为硅源和锆源于1800-1950℃对所述多孔中间体进行熔渗，获得纤维增强超高温陶瓷基复合材料。

本发明首先通过含有纳米碳化锆和酚醛树脂的浆料浸渍向纤维预制体引入纳米碳化锆，然后通过浸渍有机聚合物引入碳基体，最后以二硅化锆为硅源和锆源进行高温熔渗，原位将碳基体转化为碳化硅和碳化锆，形成碳-碳化锆-碳化硅的纤维增强超高温陶瓷基复合材料，该材料中碳化锆分布均匀且含量高，有望在超高温条件下长时间使用。

较佳地，步骤1)中，所述浆料的溶剂为无水乙醇，所述浆料中酚醛树脂的浓度为0.05g/mL-1.0g/mL，优选0.4g/mL-0.6g/mL，纳米碳化锆与酚醛树脂的用量比为10wt％-500wt％，优选80wt％-150wt％。在该范围内纳米碳化锆分散良好、浆料稳定且具有良好的流动性，适合于浸渍。

较佳地，步骤1)中的纤维预制体为一维纤维预制体、二维纤维预制体、三维纤维预制体、短切纤维预制体中的其中之一，所用纤维为碳纤维或碳化硅纤维。所述纤维预制体的界面包括热解碳、碳化硅以及由它们组成的复合界面。

较佳地，步骤1)中将浸渍后的纤维预制体进行压力成型，然后固化-裂解或直接裂解。

较佳地，步骤1)中，裂解的温度为900～1000℃，时间为0.5～1.0小时。

较佳地，步骤2)中的有机聚合物为酚醛树脂、呋喃树脂或沥青。

较佳地，步骤2)中浸渍－裂解循环进行1-8次，其中，优选4-7次。

较佳地，步骤2)中，裂解的温度为900～1000℃，时间为0.5～1.0小时。

较佳地，步骤3)中熔渗时间为0.5-1.5小时，熔渗在真空下进行。

本发明的有益效果：

本发明工艺简单、制备周期短。制备的纤维增强超高温陶瓷基复合材料致密化程度高，开口气孔率低，超高温相(碳化锆)含量高，材料具有良好的抗烧蚀性能。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2为本发明的一个实施方式中制备的3D C_f/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料的截面XRD谱图；