[发明专利]热防护用SiC-Cu复相发汗冷却材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种航天热防护用自发汗冷却材料及制备方法，具体地说是一种以铜为发汗剂、碳化物陶瓷为基体的陶瓷基复合材料及制备方法。

背景技术

固体火箭发动机工作时，其喷注器面板、燃烧推力室内壁、喉衬、喷管等部位承受高达3000K以上高温燃气流的作用，因此，必须对火箭发动机受热关键部位进行良好的冷却，从而避免发生烧蚀破坏，保证发动机的正常工作，实现发动机的可重复使用。

自发汗冷却技术是一种仿生技术，即利用生物为了生存对所处环境(温度)进行自身调节的原理，类似于人体的出汗排热，当材料在高温环境下工作时，通过材料内部的低熔点易气化的固态物质在高温环境下熔化并蒸发而吸收热量，降低材料表面工作温度，保证部件不被高温烧蚀，从而达到热防护的目的。自发汗冷却作为一种非常有效的保护暴露在高热流和高温环境下服役部件表面的热防护方法，已经在火箭发动机热防护方面受到越来越广泛的重视。

自发汗冷却材料通常由作为基体材料的高熔点相与作为发汗剂的低熔点相如Cu、Al等组成。其按照基体材料可分为：(1)难熔金属基发汗材料，如W/Cu、Mo/Cu、W-Mo/Cu及W-Al等；(2)石墨基发汗材料，如石墨/Cu、石墨/Al等；(3)陶瓷基发汗材料，如TiC/Cu、TiB₂/Cu、TiB₂/Al、TiB₂-TiC/Cu等。

作为第一代固体火箭发动机用材料的难熔金属基发汗材料，其最大的缺点是密度太大(约为17g/cm³～18g/cm³)，而材料的轻质化是航天材料选择与设计过程中永恒追求的目标，导致其在航天领域中的应用受到限制。此外，当温度超过2000℃时其烧蚀较为严重，严重影响火箭发动机关键材料的推进效率和机动性能。尽管石墨基发汗材料符合轻质化要求，但由于Cu、Al等对石墨的润湿性差，因此通常采用压力熔渗来制备，工艺复杂，成本高，并且石墨基体的抗氧化性也较差。陶瓷基发汗材料是一种将低密度、高熔点、高抗氧化性的碳化物或硼化物陶瓷与低熔点、低沸点金属相复合的材料，具有轻质、高比强、耐高温、抗冲刷、抗热震、耐烧蚀的特性，被认为是一种新型耐高温材料，在固体火箭导弹等航天器的喷管喉衬燃气舵护板等材料上有巨大的应用前景。如“一种陶瓷/铜复合材料喉衬的制造方法”(中国专利201110075071.4)、“C/ZrC-SiC-Cu复合材料及其制备方法”(中国专利201310392261.8)等。重结晶多孔SiC陶瓷具有密度低、热导率高、抗氧化性好等优异性能，且高温强度随温度的升高而增加，是陶瓷基发汗冷却材料理想的基体材料之一。由于SiC与Cu之间的润湿性差，因此通常采用压力铸造法来制备SiC/Cu复合材料，如“一种泡沫碳化硅陶瓷增强铜基复合材料摩擦片及制备方法”(中国专利200610045647.1)、“泡沫碳化硅/金属双连续相复合摩擦材料及其构件和制备”(中国专利200610046242.X)等。由于采用压力铸造工艺不可避免的施加外界压力，这就严重影响了可直接制备零件形状的复杂性。自发熔渗作为一种近净成型制备工艺，可解决制备复杂形状零件的难题。为了使自发熔渗在该体系中容易实现，通常采用Cu基质合金化来改善SiC与Cu之间的润湿性，如“一种制备高体积分数碳化硅颗粒增强铜基复合材料的方法”(中国专利200710177026.3)、“一种碳化硅/铜硅合金双连续相复合材料及其制备方法”(中国专利201210429043.2)等。然而Cu基质合金化后不能充分发挥纯铜作为发汗剂的优势，从而降低SiC/Cu复相发汗冷却材料的高温抗烧蚀性能。此外，SiC与Cu在高温下容易发生反应生成石墨，这将会恶化SiC基体材料的高温性能，因此如何有效解决SiC与Cu之间的润湿性与反应性问题已成为制备SiC/Cu复相发汗冷却材料的关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种密度低、耐高温、抗烧蚀性好的，火箭发动机热防护用SiC/Cu复相发汗冷却材料及该材料的制备方法。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种热防护用SiC-Cu复相发汗冷却材料，其特征在于，按体积分数计，由50～75％的SiC陶瓷相和25～50％的Cu金属相组成块体，其中SiC陶瓷相为多孔结构，其多孔在三维空间中相互连通，Cu金属相附着在这些多孔的表面。

上述热防护用SiC/Cu复相发汗冷却材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

第一步，首先制备重结晶SiC多孔陶瓷，其多孔在三维空间中相互连通；