[发明专利]一种碳纤维增强碳-碳化硅-碳化锆复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种碳纤维增强碳‑碳化硅‑碳化锆复合材料及其制备方法。所述方法：(1)在碳纤维预制体包含的碳纤维表面沉积热解碳基体，得改性碳纤维预制体；(2)配制硅粉、锆粉、石墨粉和酚醛树脂的质量比为(1～3)：(4～6)：5:100的混合树脂溶液；(3)用混合树脂溶液浸渍改性碳纤维预制体，然后使浸渍后的改性碳纤维预制体依次进行固化和碳化反应；碳化反应在惰性气氛中进行，碳化反应温度为1650～1750℃，时间为0.5～2h；(4)重复步骤(3)至少一次，制得所述复合材料。本发明能使得碳化硅、碳化锆在复合材料中均匀分布，降低游离金属含量低，提高材料的抗氧化、耐烧蚀性能。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，尤其涉及一种碳纤维增强碳-碳化硅-碳化锆复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维增强陶瓷基复合材料具有抗氧化、质轻、抗热震、高温性能优异等特点，因而被广泛应用于航空、航天和汽车等领域。例如，碳纤维增强碳陶基(C/C-SiC)复合材料是一种新型高性能热结构材料，具有高比强、高比模、耐腐蚀、抗热震等优异性能，在航空航天等高新技术领域具有非常大的应用潜力。但是随着服役环境的复杂化，对材料体系提出了更高的要求，且要求材料体系具有更强的可设计性。C/C-SiC复合材料在1600℃以上难以满足抗氧化、耐烧蚀的性能需求。

为了进一步提高碳纤维增强陶瓷基复合材料的抗氧化性和烧蚀性能，在材料中引入超高温陶瓷相(例如难熔金属碳化物)是一种有效的方法。碳化锆属于典型难熔金属碳化物，其熔点高达3420℃，能使得材料具有优异的高温稳定性。目前，将制备碳纤维增强陶瓷基复合材料的工艺技术主要有3种：气相渗透法(CVI)、前驱体裂解法(PIP)及反应熔渗法(RMI)。

CVI制备陶瓷基复合材料，陶瓷基体结晶度较高，但生产周期较长，且工艺控制难度大，不适合厚度超过5mm构件的制备。PIP制备陶瓷基复合材料的工艺窗口宽，陶瓷基体呈颗粒状，需求多轮次浸渍裂解过程。

与CVI、PIP工艺相比，RMI工艺具有制备周期短、成本低、残余孔隙率低(2～5％)等优点，是一种非常具有市场竞争力的工业化生产技术。目前RMI工艺一般采用液态熔融金属浸渗C/C多孔体来获得陶瓷基复合材料，液态金属与C反应生成陶瓷基体，由于金属与碳基体的不均匀分布导致金属与碳基体无法实现充分反应。因此，RMI制备陶瓷基复合材料有大量游离金属单质和碳基体存在，影响陶瓷基复合材料的抗氧化、耐烧蚀性能。

为了降低或避免RMI制备陶瓷基复合材料存在的大量游离金属，本发明提供了一种原位反应制备C/C-SiC-ZrC陶瓷基复合材料的新方法。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种碳纤维增强碳-碳化硅-碳化锆复合材料及其制备方法。本发明方法能实现硅、锆和碳在复合材料中的均匀分布，原位反应生成碳化硅、碳化锆基体，能使得碳化硅、碳化锆基体在复合材料中均匀分布并降低复合材料中的游离金属含量。本发明制得的C/C-SiC-ZrC复合材料具有游离金属含量低、耐烧蚀性能优异等优点。

为了实现上述目的，本发明在第一方面提供了一种碳纤维增强碳-碳化硅-碳化锆复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)在碳纤维预制体包含的碳纤维表面沉积热解碳基体，制得改性碳纤维预制体；

(2)将硅粉、锆粉、石墨粉、酚醛树脂和有机溶剂配制成混合树脂溶液；所述混合树脂溶液中硅粉、锆粉、石墨粉和酚醛树脂的质量比为(1～3)：(4～6)：5:100；

(3)用步骤(2)配制的混合树脂溶液浸渍步骤(1)制得的改性碳纤维预制体，然后使浸渍后的所述改性碳纤维预制体依次进行固化反应和碳化反应；所述碳化反应在惰性气氛中进行，所述碳化反应的温度为1650～1750℃，所述碳化反应的时间为0.5～2h；和

(4)重复步骤(3)至少一次，制得碳纤维增强碳-碳化硅-碳化锆复合材料。