[发明专利]一种碳纤维增强陶瓷基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：使用碳化硼胶体对碳纤维预制体进行浸渍，得到附着有碳化硼胶体的碳纤维预制体；对碳纤维预制体上附着的碳化硼胶体进行老化，得到初始碳纤维毛坯；使用包括碳化硅前驱体和超高温陶瓷前驱体的前驱体溶液对所述初始碳纤维毛坯进行浸渍，得到附着有前驱体溶液的初始碳纤维毛坯；对所述初始碳纤维毛坯上附着的前驱体溶液进行固化，得到碳纤维毛坯；对所述碳纤维毛坯进行热处理，得到碳纤维增强陶瓷基复合材料。本发明制备的复合材料具有耐超高温、抗烧蚀性强、整体强度高、抗断裂韧性好、宽温域抗氧化性强等优点。

技术领域

本发明属于超高温材料领域，具体地说涉及一种碳纤维增强陶瓷基复合材料及其制备方法。

背景技术

随着现代航空航天科技的飞速发展，对于材料的耐温性能要求越来越高，要求材料能够在超高温环境下，长时间有效服役。

超高温陶瓷主要包括Ti、Zr、Hf、Ta等的碳化物、硼化物、氮化物和氧化物等，其熔点均在3000℃以上，尤其是TaC和HfC的熔点更是都超过3700℃，其超高的熔点和优异的耐高温烧蚀性能为解决材料的耐超高温性能提供了研究方向。不过，由于超高温陶瓷材料是一种脆性材料，其抗冲击性能较差，需要通过连续纤维等对其进行增韧，复合后得到的连续纤维增强超高温陶瓷复合材料不仅耐超高温、抗烧蚀，还具有整体强度高、抗断裂韧性好等优点。

碳纤维是目前唯一一种在3000℃(非氧环境)以上仍具有很高比强度、比模量以及较低热膨胀系数的纤维材料，同时碳纤维也容易通过缠绕、编织、针刺等方式成型为预制体，尤其能够用于制造形状复杂的大型构件。因此，如何将非氧化物的超高温陶瓷与碳纤维增强体复合是需要解决的问题。

此外，抗氧化性也将直接影响飞行器的技术特点和服役性能，提高碳纤维增韧超高温陶瓷材料的耐温域宽度和抗氧化性能也是急需解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种碳纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法。

本发明的一种碳纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：使用碳化硼胶体对碳纤维预制体进行浸渍，得到附着有碳化硼胶体的碳纤维预制体；对碳纤维预制体上附着的碳化硼胶体进行老化，得到初始碳纤维毛坯；使用包括碳化硅前驱体和超高温陶瓷前驱体的前驱体溶液对所述初始碳纤维毛坯进行浸渍，得到附着有前驱体溶液的初始碳纤维毛坯；对所述初始碳纤维毛坯上附着的前驱体溶液进行固化，得到碳纤维毛坯；对所述碳纤维毛坯进行热处理，得到碳纤维增强陶瓷基复合材料。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明采用前驱体裂解法获得超高温陶瓷基体，相比粉体烧结、化学气相沉积等方法具有烧结温度低、成本低等优点。但是，该方法的陶瓷产率较低，前驱体高温裂解后在纤维内部为颗粒堆积结构，与纤维结合力差，想要提高材料力学性能，必须使得裂解后的陶瓷相烧结致密，尤其是超高温陶瓷前驱体裂解后的陶瓷相粒径大、裂解温度高，且因陶瓷产率低的问题，导致其颗粒间充满大量的孔洞，仅靠固化后形成的三维网络状结构连接，结合力极差，因此，烧结难度仍然很大，甚至无法烧结。

为了降低烧结难度，本发明在复合材料的制备过程中引入碳化硅和碳化硼。若以碳化硅粉末和碳化硼粉末的形式引入碳化硅和碳化硼，粉体浸渍时，容易堵塞碳纤维预制体的孔洞，影响浸渍效果，尤其是碳纤维预制体内部容易出现空心化现象，因此，本发明以碳化硅前驱体和碳化硼胶体的形式引入碳化硅和碳化硼。

首先，本发明将碳化硅前驱体添加到前驱体溶液中，与超高温陶瓷前驱体混合成混合液，碳化硅前驱体裂解后的碳化硅颗粒粒径小、表面活性高，裂解温度低，两种前驱体混合后，能够形成一种新的三维网络结构，碳化硅与超高温陶瓷互相包覆，提高了两者颗粒的烧结活性，降低了烧结温度，碳化硅还能够很好地起到填充效果，降低孔隙率。再加上碳化硼能发挥烧结助剂的作用，在烧结时促进晶型生长，因此，碳化硅和碳化硼的引入使得烧结温度大幅降低，减少基体烧结对碳纤维的损伤，使得复合材料的力学性能更优。