[发明专利]一种类Z-pins金属棒增强碳陶复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种类Z‑pins金属棒增强碳陶复合材料的制备方法，将经预处理的金属粉末填充至碳陶复合材料的纵向盲孔中，压制成型，真空或惰性气氛下进行烧结，即获得类Z‑pins金属棒碳陶复合材料；本发明技术方案，通过在已成型的碳碳预制体或碳陶复合材料的厚度方向中预制盲孔，然后在盲孔中充填金属或合金粉末后烧结获得类Z‑pins结构增强碳陶复合材料，一方面，所形成的类Z‑pins结构中的金属在高温环境下，会优先于陶瓷基体的氧化，并达到优良的裂纹、孔洞等缺陷的自愈合效果，延长试样的高温服役时间及提高其高温服役性能；另一方面所述类Z‑pins的机械侨联和拔出，消耗大量的能量，从而提高基体的抗层间开裂性能，提升碳陶复合材料的力学性能。

技术领域

本发明涉及一种类Z-pins金属棒增强碳陶复合材料的制备方法，属于复合材料制备技术领域。

背景技术

随着航空航天技术的迅猛发展，高超声速飞行器成为现阶段航空航天领域研究的重点。但由于其飞行速度极快高达马赫数5以上，且表面强烈的气动加热和高速粒子冲蚀，导致某些部位表面温度高达2000℃以上。那么对其材料的耐温极限、抗高温氧化和高速气流冲刷下的强韧性等的要求将更加严苛。此外，在如此恶劣的氧化对流环境中，极少零部件能够保持结构和尺寸的完整性。因此，设计和制备出具有良好的高温抗烧蚀性、抗热震性并能保持良好高温强度、零部件结构和尺寸的完整性的热防护材料，是新型飞行器的关键。

目前，超高温陶瓷(UHTCs)改性C/C复合材料，既保留了C/C复合材料低密度、低热膨胀系数、高强度、高断裂韧性、高热导率，强抗热震性等优点，又克服了单一C/C复合材料在高温下的抗氧化性缺点，使其更好的适用于极端的高温环境中。ZrC、HfC、TaC、ZrB₂等超高温陶瓷与SiC陶瓷的复合改性C/C复合材料是现今碳基复合材料研究的重点，且被证实在2000℃一下的超高温环境下能在表面形成一层致密的氧化物保护层，避免基体进一步氧化，从而保证其良好的抗烧蚀性能。但是超过此温度，超高温陶瓷与SiC陶瓷的复合改性C/C复合材料在使用过程中将体现出许多不足之处，并最终导致其材料在高温下的烧蚀失效。以ZrC-SiC陶瓷改性C/C复合材料为例，在2000℃以上的超高温、富氧、高速气流冲刷的极端环境下长时间使用时，C/C-ZrC-SiC复合材料仍表现出较大的烧蚀率，颗粒或块状剥蚀等严重现象。而出现这些问题的原因在于：第一，基体改性过程中的高温制备环境以及金属与C/C复合材料中的碳发生剧烈的化学反应所带来的孔洞、微裂纹、碳纤维损伤等增加了氧扩散通道，同时形成应力集中源，最终降低了材料在高温过程中的抗热化学烧蚀以及机械剥蚀能力；第二，碳基复合材料内部陶瓷相的分布不均匀，限制了材料表面形成连续致密的氧化物薄膜保护层；第三，SiO₂的蒸气压随温度升高呈指数函数递增，其黏度随之降低，使得SiO₂大量耗散，无法封闭基体制备过程以及烧蚀过程中产生的显微裂纹和孔洞。最终促使多孔、质脆的ZrO₂骨架被大量冲刷而加速了基体的氧化和剥蚀；第四，氧化物层与基体的热失配问题导致其在恶劣环境下开裂或整块剥蚀。综上所述，现有的C/C-ZrC-SiC复合材料在长时、高温、富氧、高速气流冲刷的恶劣环境下，难以形成致密、连续的氧化物层来避免基体进一步氧化。因此，为了拓宽超高温陶瓷改性C/C复合材料的使用温度，关键在于如何避免氧化物的耗散，尤其是对具有密封孔和裂纹等缺陷自愈合作用的玻璃态SiO₂的保护，从而使其表面获得一层连续、致密长时有效的氧化物保护层。