[发明专利]多元单相超高温陶瓷Tax

说明书

本发明涉及一种多元单相超高温陶瓷Ta_xHf_1‑xC改性碳/碳复合材料的制备方法，将化学气相渗透(CVI)法制备的多孔碳/碳复合材料置入TaC有机前驱体及HfC有机前驱体的混合溶液中浸渍后高温热处理，形成内部含有固溶体超高温陶瓷Ta_xHf_1‑xC的多孔碳/碳复合材料后进行渗碳处理，制备出固溶体超高温陶瓷Ta_xHf_1‑xC改性的碳/碳复合材料。该材料在烧蚀过程中生成固相氧化物钉扎液相氧化物的稳定连续保护层，可在不破坏复合材料优异的力学性能的前提下，充分发挥出其独特的抗氧化和烧蚀的潜力，实现复合材料在极端环境下的应用，此外，本发明的制备工艺简单易操作，适合于在多种材料制备中应用。

技术领域

本发明属于超高温陶瓷改性碳/碳复合材料技术领域，涉及一种多元单相超高温陶瓷Ta_xHf_1-xC改性碳/碳复合材料的制备方法。

背景技术

碳/碳(C/C)复合材料又称碳纤维增强碳基体复合材料，其兼具碳基体固有的耐高温性能和碳纤维增强体的优异的力学性能。该材料密度低，热膨胀系数小，使用寿命长，可设计性强，摩擦磨损性能优异，比强度和比模量较高。除此以外，其力学强度在惰性环境中随着温度的升高(可达2200℃)不降反升。以上优异的特点和性能使得C/C复合材料在航空航天领域中得到了广泛的应用，然而，C/C复合材料也继承了碳材料在高温有氧环境下易氧化的特性，在500℃开始迅速氧化。因此，需要对C/C复合材料在高温环境进行热防护。

超高温陶瓷(TaC、HfC等)，具有高熔点、高硬度、耐腐蚀，优异的物理化学性能和良好的抗烧蚀性能，这一系列的优异性能使其成为理想的高温结构材料，在航空航天等领域得到了广泛应用。由于TaC和HfC具有相似的晶体结构，且Ta和Hf的原子半径接近，能够形成连续的固溶体。研究表明，多元单相固溶体陶瓷Ta_xHf_1-xC比单一陶瓷具有更高的熔点、更低的热膨胀系数和优越的物理性能。相比于传统的二元陶瓷改性体系，多元单相固溶体陶瓷Ta_xHf_1-xC形成了单一的稳定的面心立方结构，不仅兼具了各陶瓷组元(TaC、HfC)原有的优异性能，且在高温下生成的氧化物也能形成连续的固溶体，具有更稳定的晶体结构，能在复合材料表面形成连续致密的保护层。因此Ta_xHf_1-xC是一种极具应用前景的提高C/C复合材料抗烧蚀性能的改性材料。

CN103722823A报道了一种C/C-SiC-ZrC复合材料的制备方法，该法采用浸渍裂解和反应熔渗两步制备工艺，得到的复合材料具有强度高、耐超高温、抗氧化和抗热震的特点。

CN109912313A公开了一种新型多元单相超高温陶瓷改性碳/碳复合材料及其制备方法，该方法将沉积有热解碳层的碳/碳复合材料置于铪锆钛混合粉上，通过高温熔渗法制备得到Hf_xZr_yTi_zC多元单相碳化物超高温陶瓷改性的碳/碳复合材料，其中，x＝0.10～0.65，y＝0.3～0.65，z＝0.05～0.25，x+y+z＝1。

文献1“Ghaffari S A,Faghihi-Sani M A,Golestani-Fard F,et al.Diffusionand solid solution formation between the binary carbides of TaC,HfC and ZrC[J].International Journal of Refractory Metals and Hard Materials,2013,41:180-184.”报道了HfC-TaC二元体系的相变演化，固溶体的形成和扩散行为。研究发现了TaC与HfC形成固溶体的过程以及TaC在HfC中的扩散行为。