[发明专利]一种碳化锆陶瓷纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳化锆陶瓷的制备领域，特别涉及一种碳化锆陶瓷纤维及其制备方法。

背景技术

航空航天技术的高速发展对新型高温材料提出了新的要求。飞行器在高超声速长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行等极端环境下，推进系统、机翼前缘以及鼻锥等关键部件都会在燃料燃烧以及飞行过程与大气的激烈磨擦中产生1800℃以上的高温，因而需要以在高温有氧环境下能重复使用的材料作为防热系统。以难熔金属硼化物和碳化物为主要代表的超高温陶瓷(UHTCs)，如ZrB₂、HfB₂、ZrC、HfC和TaC等，熔点超过3000℃，具有突出的耐超高温性能、高温抗氧化烧蚀性能优良，被认为是高超声速飞行器热防护材料及新一代超燃冲压发动机防热部件最具前途的一种候选材料。ZrC作为超高温陶瓷材料的重要成员，具有高熔点、高硬度、高模量，极强的共价键以及良好的化学稳定性等综合特性，而且，ZrC具有较低的密度，因此在航空航天领域的应用中具有一定的优势。

国内外针对ZrC等超高温陶瓷的研究主要集中在原料粉体的合成、烧结致密化过程，材料的组分设计及微结构的调控等方面，力求改善其力学性能、高温抗氧化烧蚀性能；ZrC虽然具有很多优异的性能，但是其目前表现出来的性能还不能满足实际应用的需要。尤其地，陶瓷材料固有的脆性限制了其在航空航天领域的广泛应用。若将超高温陶瓷材料制成纤维，有望获得能够在超高温条件下使用的新型陶瓷纤维。同时，采用超高温陶瓷纤维作为增强体制备超高温陶瓷基复合材料有望大幅度提高传统超高温陶瓷材料的力学性能并改善其脆性，解决陶瓷材料断裂韧性低、断裂应变小、抗热震性能差的缺点。

国际上以美国MATECH公司为代表，制备出了高性能的TaC、HfC超高温陶瓷纤维，并已实现商业化。该公司使用四氯化铪与乙二胺发生聚合得到以Hf-N-C为骨架的无氧聚合物，该无氧聚合物经2000℃高温裂解处理后即转变为HfC纤维，具体的技术细节尚无法获知。(Pope,E.J.A.,J.Hepp,and K.M.Kratsch,Method for forming hafnium carbide and hafnium nitride ceramics and preceramic polymers.2009,POPE E J A(POPE-Individual)HEPP J(HEPP-Individual)KRATSCH K M(KRAT-Individual).p.18.)而目前国内外关于ZrC陶瓷纤维的制备及结构性能等方面的研究报道非常有限。文献中报道的方法大多以ZrC陶瓷有机前驱体为原料，制成适合纺丝的前驱体溶液，采用不同的成纤技术纺成前驱体纤维，经过高温陶瓷化得到ZrC陶瓷纤维。但相关研究采用的成纤方式较为简陋(手拉法、注射器挤出等)，制备得到的纤维均匀性较差(Kurokawa,Y.,H.Ota,and T.Sato,Preparation of carbide fibres by thermal decomposition of cellulose-metal(Ti,Zr)alkoxide gel fibres.Journal of Materials Science Letters[J],1994.13(7):p.516-518；Preiss,H.,E.Schierhorn,and K.W.Brzezinka,Synthesis of polymeric titanium and zirconium precursors and preparation of carbide fibres and films.Journal of Materials Science[J],1998.33(19):p.4697-4706.)。近年来，随着静电纺丝技术的发展，李飞等人采用静电纺丝方法制备获得了较为均匀的ZrC陶瓷纤维(Fei Li,Zhuang Kang,Xiao Huang and Guo-Jun Zhang,Fabrication of zirconium carbide nanofibers by electrospinning,Ceramics International,2014.40(7):p.10137-10141.)，但静电纺丝技术制备陶瓷纤维效率较低，无法实现ZrC陶瓷纤维的高效制备。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种直径分布均匀、氧含量低且高温下稳定的ZrC陶瓷纤维及其制备方法，实现ZrC陶瓷纤维的高效制备。

一方面，本发明提供了一种碳化锆陶瓷纤维的制备方法，包括：