[发明专利]碳纤维-碳化锆复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种碳纤维‑碳化锆复合材料及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：原材料准备步骤，提供碳化锆纳米粉体和碳化锆前驱体溶胶；碳化锆浆料的制备步骤，将所述碳化锆纳米粉体、分散剂、以及去离子水配置成固相体积含量为50～57vol.％的碳化锆浆料；碳化锆涂覆步骤，将所述碳化锆浆料涂覆在碳纤维编织体上以使其增密，并在真空干燥箱中干燥，得到涂覆有碳化锆的碳纤维编织体；浸渍步骤，将所述涂覆有碳化锆的碳纤维编织体浸渍在所述碳化锆前驱体溶胶中10～60min；裂解步骤，将所述浸渍后的碳纤维编织体取出在真空干燥箱中干燥，此后放入烧结炉中在惰性气体气氛中在1400～1600℃下裂解并保温0.5～2h，然后随炉冷却至室温，得到所述碳纤维‑碳化锆复合材料。

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体涉及碳纤维-碳化锆复合材料及其制备方法。

背景技术

高新材料是衡量一个国家经济、技术、国防等发展的重要标志。21世纪以来，世界各国都把具有高速度、高强度和高可靠性的高超音速飞行器作为主要研究方向，而这种以航天飞机、战略导弹和运载火箭为代表的高超音速飞行器的发展必将对国家的安全起着决定性作用，同时也对超高温材料的耐高温、力学性能和抗烧蚀性能提出了更高的要求。

超高温材料是指能够在2000℃以上高温正常工作的材料，主要包括难熔金属材料(锆、铪、钽、钨、钼等)、石墨材料、碳碳复合材料和超高温陶瓷及其复合材料等。但由于难熔金属材料密度大、高温下易氧化，石墨材料强度在2500℃以上高温逐渐下降，碳碳复合材料抗氧化性太差等原因都不能得到广泛使用。

超高温陶瓷主要包括难熔金属的碳化物、氮化物和硼化物，具有强度高、模量高、抗烧蚀性好等多方面的优点，通过加入纤维弥补断裂韧性方面的不足，可获得性能优异的超高温陶瓷基复合材料。纤维在很大程度上决定了超高温陶瓷基复合材料最终的性能，目前商业化生产的纤维主要有玻璃纤维(G_f)、石英纤维、碳化硅纤维和碳纤维等，但是由于玻璃纤维、石英纤维和碳化硅纤维的结构在超高温环境中容易发生变化，导致其性能急剧下降而不能使用。而碳纤维具有密度低、强度高、断裂韧性好的特点，能够在超高温环境中保持稳定，是目前唯一能在超高温环境中使用的商用纤维。因此，采用碳纤维增强超高温陶瓷可以使其优势互补，不但具有碳纤维密度低、断裂韧性高的的优点，而且具有超高温陶瓷力学性能高和抗热蚀好的特点，从而满足在超高温环境中的使用要求。

同时，超高温陶瓷又因为物理和化学性质的显著差异导致其在纤维增强超高温陶瓷基复合材料中的应用存在明显的不同。钽化合物密度比较大，而且在氧化环境中的抗烧蚀性能比铪化合物和锆化合物差。铪化合物虽然与锆化合物的性质非常接近，但是由于其含量少、价格昂贵、密度大等原因限制了应用范围。

目前碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料的基体研究主要为锆化合物，尤其是碳化锆(ZrC)。但是由于碳纤维增强ZrC复合材料的相关技术涉密，因此很少有关于此方面的报道。

制备方法是影响超高温陶瓷基复合材料性能的另一个关键因素，决定了基体的均匀性和致密度、纤维的分布状态以及基体与纤维之间的界面结合情况。目前，超高温陶瓷基复合材料制备方法主要有化学气相渗透法(Chemical vapor infiltration,CVI)、金属熔融浸渗法(Reactive melting infiltration,RMI)等。化学气相渗透法能够在较低温度下制备出形状复杂和净尺寸的超高温陶瓷基体材料，但是存在致密度低、生产周期长和制备成本高的缺点。金属熔融浸渗法是将熔融金属渗入多孔预制件中，然后与预制件或气氛环境反应生成陶瓷基体，具有生产周期短，可制备形状复杂、净尺寸超高温陶瓷基体材料的优点，但是其制备温度高、金属熔体易与纤维反应而降低纤维性能并且造成金属残留。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种致密度高、生产周期短、成本低、弯曲强度和断裂韧性高，抗热蚀性能好的碳纤维-碳化锆复合材料的制备方法。

本发明的另一个目的在于提供一种碳纤维-碳化锆复合材料。