[发明专利]一种C/C-TaC-ZrB2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领域，特别是涉及一种C/C-TaC-ZrB₂陶瓷基复合材料及其制备方法。

技术背景

碳/碳(C/C)复合材料即碳纤维增强碳基体复合材料，其具有优异的抗烧蚀性、高比强度、高比模量及高温下极好的力学性能和尺寸稳定性，特别适合在对材料性能要求严苛的高温环境下使用。例如，碳/碳复合材料作为航空航天领域开发最成功的材料之一，被广泛用于制造航天器鼻锥、机翼前缘、固体火箭发动机(SRM)喉衬及扩张段和飞机刹车片等部件。其中，以在固体火箭发动机喉衬上的应用最为突出。固体火箭发动机喉衬的工作温度往往高达3000℃以上(最高甚至达到3700℃)，在此条件下，不但要求材料能够承受热负荷、机械负荷和热冲击，还要经受化学腐蚀，并且要求极好的形状、尺寸稳定性。早期喉衬材料历经难熔金属、陶瓷、石墨以及纤维增强塑料等一系列技术变革，这些材料或密度大、或不耐热冲击、或烧蚀率大，同时带来了喷管惰性质量较大的问题，制约了喷管效率的进一步提高。20世纪70年代以来，随着多向编织碳/碳复合材料的崛起，极大地推动了喉衬材料的更新换代。美、法、俄等国先后研制出无支撑的3D、4D碳/碳整体喉部入口段(ITE)、整体喉部扩张段(ITEC)，进一步推动了碳/碳复合材料的广泛应用。

近十几年来，临近空间技术成为国外航空航天技术探索的新热点。各类临近空间飞行器概念被提出并得到深入研究，其中高超声速飞行器以其广阔的发展前景和重大的军事价值而备受瞩目。作为高超声速飞行器的动力装置，超燃冲压发动机的工作环境温度高、压力大、气流速度快，特别是燃气中含氧成分(O₂，H₂O，CO₂等)多。如果采用传统碳/碳复合材料，则其在高温含氧环境下会迅速氧化，严重影响其优异性能的发挥。为进一步提高碳/碳复合材料耐烧蚀及抗粒子侵蚀性能，研究者们进行了很多尝试，如文献“专利申请号是200910227195.2的中国发明专利”公开了一种C/ZrC陶瓷基复合材料及其制备方法，该方法是以碳纤维预制件为基础，通过化学气相沉积法或者树脂液相浸渍裂解法制备得到C/C复合材料，再以金属Zr或Zr的合金为渗剂，通过融渗反应得到C/ZrC陶瓷基复合材料。虽然以上发明得到的复合材料具有耐超高温、耐氧化、耐烧蚀、抗热震等优良性能，但是由于在融渗过程中金属Zr易损害C纤维，使得该复合材料的力学性能显著降低。

研究发现，通过掺杂难熔金属碳化物及硼化物，同时创新制备工艺，可在不破坏C纤维的情况下制备出耐超高温、耐氧化、抗热震的高性能复合材料，以满足超燃冲压发动机喉衬材料的综合性能要求。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术的缺陷，提供了一种不破坏C纤维结构的且可满足超燃冲压发动机喉衬材料综合性能要求的C/C-TaC-ZrB₂陶瓷基复合材料，同时提供一种制备该复合材料的方法。

由于碳在高温下容易氧化，碳/碳复合材料高于500℃就会迅速氧化，因此碳/碳复合材料的氧化烧蚀防护研究就显得尤为重要。抗氧化的原理是阻止碳与氧反应并阻断氧向材料内部扩散。一些高温下能够生成玻璃态物质的化合物如硼化物、硅化物能够满足条件，达到较好的抗氧化效果；而一些过渡金属化合物由于熔点高、不易氧化，加入碳基体中时能明显提高碳/碳复合材料的抗氧化抗烧蚀性。但金属化合物的热膨胀系数和碳相差较多，容易由热失配引起材料开裂。因此在将金属化合物加入碳/碳复合材料时需要同时加入与碳材料热膨胀系数相近的物质，材料的抗氧化能力能够得到有效提高。

TaC具有熔点高、高温强度高、抗氧化性能良好、耐腐蚀和化学稳定性好等特点，且与碳/碳复合材料具有良好的化学相容性，因而TaC可用于碳/碳复合材料的抗氧化防护涂层。为了得到耐更高温度、性能更好的涂层，需要TaC和另一种高熔点陶瓷材料结合使用。ZrB₂是超高温陶瓷，具有高熔点、高模量、高硬度、低饱和蒸汽压等综合特性，在高温氧化环境中，其氧化产物ZrO₂不但熔点高(2770℃)，而且具有相对低的蒸气压和热导率，因此ZrB₂成为超高温应用领域极具潜力的材料。通过ZrB₂与TaC的复合，可在一定程度上愈合氧化气体通过涂层向基材扩散的通道，阻止氧化气体向基体材料内部进一步扩散，具有良好的抗氧化性能。因此，在碳/碳复合材料表面制备TaC-ZrB₂涂层，可以有效地提高材料的高温抗氧化性，满足其在超高温应用领域的使用要求。