[发明专利]一种颗粒增强超高温陶瓷基复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种颗粒增强超高温陶瓷基复合材料的制备方法，包括：混合粉体的制备、碳纤维预制体的制备、前驱体浸渍、固化和裂解、重复前驱体浸渍、固化和裂解多次，制得颗粒增强超高温陶瓷基复合材料。本发明通过在碳纤维编制体中引入超高温陶瓷颗粒，并将其与超高温陶瓷前驱体浸渍‑裂解相结合的方式，可使浸渍周期降低到10次以内，缩短制备周期；同时，由于超高温陶瓷粉体较超高温陶瓷前驱体价格明显降低，能够降低复合材料制备成本。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种颗粒增强超高温陶瓷基复合材料的制备方法，尤其适用于ZrB₂/ZrC颗粒增强的Cf-ZrB₂/ZrC-SiC超高温陶瓷材料的制备。

背景技术

超高温材料(UHTMs)作为材料家族中重要一类，指的是在高温环境下(例如大于2400℃)以及反应气氛中(例如原子氧环境)能够保持物理和化学稳定性的一种特殊材料。超高温陶瓷(UHTCs)包括具有3000℃以上的高熔点，并具有优良的高温抗氧化性、耐烧蚀性和抗热震性的过渡金属的硼化物、碳化物和氮化物，有望应用于航天火箭的发动机、太空往返飞行器、大气层内高超声速飞行器的鼻锥、前缘和高超音速运载工具的防热系统和推进系统等。

超高温陶瓷具有一系列优良的性能使它在航空航天领域具有广阔的应用前景，但是陶瓷材料固有的脆性又限制了它的推广应用。近年来，众多研究者对连续纤维增强超高温陶瓷，尤其是连续碳纤维增强ZrB₂-SiC陶瓷基复合材料进行了大量的研究。研究表明，制备的碳纤维增强陶瓷基复合材料具有优良的力学性能及抗氧化性。

现有技术中，大多数研究者采用前驱体浸渍-裂解(PIP)工艺将超高温陶瓷以液相前驱体的方式引入到C_f/SiC复合材料的表面，通常要反复15-20次浸渍-裂解过程才能够使其密度达到1.9gcm³。该材料能够满足短时间内的耐高温、抗氧化性需求，但是对于长时间1500s以上的需求，由于浸渍的纳米超高温陶瓷仅仅富集在材料的表面，表面抗氧化层经过一段时间的烧蚀后会露出碳纤维，因此无法实现长时间的抗氧化性需求。同时，现有技术还存在浸渍-裂解过程中体积收缩影响材料力学性能、复合材料内部的孔隙无法填充、超高温陶瓷前驱体成本较高等问题。

发明内容

为了解决上述现有技术中的不足，本发明的目的在于提供颗粒增强超高温陶瓷基复合材料的制备方法，该制备方法能够有效解决复合材料致密度低、成本高、制备周期长，复合材料长时间抗氧化性差的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种颗粒增强超高温陶瓷基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)混合粉体的制备：将超高温陶瓷粉体烘干后与SiC粉体混合，得到混合粉体；

(2)碳纤维预制体的制备：以碳纤维无纬布与网胎交替铺层，在布与网胎层间加入步骤(1)中的混合粉体，得到碳纤维预制体，将碳纤维预制体置于CVI炉体内制备热解碳，得到复合材料；

(3)前驱体浸渍、固化和裂解：将步骤(2)中得到的复合材料于浸渍剂中浸渍，浸渍后的复合材料依次进行固化和裂解，所述浸渍剂包括聚碳硅烷和超高温陶瓷前驱体；

(4)重复步骤(3)，制得颗粒增强超高温陶瓷基复合材料。

步骤(2)中将超高温陶瓷粉体和SiC粉体均处理至中位粒径，使超高温陶瓷颗粒与碳纤维之间形成弱界面层结合，有利于提高力学性能。

优选的，所述步骤(1)中的超高温陶瓷粉体至少包括ZrB₂、ZrC、HfB₂、HfC中的一种或者两种。

优选的，所述步骤(1)包括：

将超高温陶瓷粉体处理至中位粒径并于烘箱中烘干后，与SiC粉体以一定的比例混合球磨，烘干过筛，得混合粉体。