[发明专利]一种抗强烧蚀的稀土改性超高温陶瓷基复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种抗强烧蚀的稀土改性超高温陶瓷基复合材料及其制备方法。所述稀土改性超高温陶瓷基复合材料包括：纤维预制体、依次形成在纤维预制体表面的超高温陶瓷和稀土氧化物的混合相及碳化物基体；所述纤维预制体的含量为15vol%～50vol%，所述超高温陶瓷和稀土氧化物的混合相的体积含量为16vol%～50vol%，碳化物基体的含量为10vol%～40vol%。

技术领域

本发明涉及一种抗强烧蚀的稀土改性超高温陶瓷基复合材料及其高效制备方法，属于超高温陶瓷基复合材料技术领域。

背景技术

超高温陶瓷基复合材料具有轻质、耐超高温、抗氧化烧蚀、非脆性断裂等优点，是新型高速飞行器热结构的重要候选材料。高马赫、可重复使用是新型高速飞行器发展的重要方向，这对飞行器热结构材料提出了更加苛刻的抗烧蚀性能要求。

研究表明，材料的抗烧蚀性能与烧蚀表面形成的氧化层息息相关。极端高温条件下，烧蚀表面形成的SiO₂玻璃相会在高温高速气流冲刷下快速挥发，ZrO₂相变较大的体积变化会导致严重的热应力，使得烧蚀表面氧化层极易产生开裂和脱落，限制了材料在更高温和更长时间服役。如何抑制烧蚀表面SiO₂玻璃相挥发和ZrO₂相变是提升Zr基超高温陶瓷基复合材料抗烧蚀性能的关键。SiC氧化生成的SiO₂玻璃相越充足、超高温相氧化后分布越均匀，材料的耐烧蚀性能越好。但在长时间、反复烧蚀过程中，玻璃相往往挥发剧烈，伴随超高温相的氧化物快速长大与相变，氧化层稳定性差而逐渐脱落。

发明内容

基于此，本发明的目的在于提供一种抗强烧蚀的稀土改性超高温陶瓷基复合材料及其高效制备方法。

一方面，本发明提供了一种抗强烧蚀的稀土改性超高温陶瓷基复合材料，所述稀土改性超高温陶瓷基复合材料包括：纤维预制体、依次形成在纤维预制体表面的超高温陶瓷和稀土氧化物的混合相及碳化物基体；所述纤维预制体的含量为15vol％～50vol％，所述超高温陶瓷和稀土氧化物的混合相的体积含量为16vol％～50vol％，碳化物基体的含量为 10vol％～40vol％。

本发明中，通过添加特定含量的稀土元素改性超高温陶瓷基体。在后续烧蚀过程中，稀土氧化物可以稳定超高温相氧化物使其不产生相变。同时，SiC氧化生成的SiO₂玻璃相又可以与稀土氧化物反应生成稀土硅酸盐，抑制玻璃相挥发。此外，稀土改性超高温陶瓷基复合材料可以有效地促进材料在烧蚀过程在纤维表面形成相分布均匀、结构致密稳定的氧化层(组分是SiO2玻璃相和高熔点氧化物(如ZrO₂、HfO₂、TaO₂))，提升材料的抗烧蚀性能。

较佳的，所述超高温陶瓷为TaC、ZrC、ZrB₂、HfC、HfB₂中的至少一种；所选稀土氧化物为Y₂O₃、La₂O₃、Gd₂O₃、Yb₂O₃中的至少一种，该稀土氧化物可以与SiO₂反应生成稀土硅酸盐；所述碳化物基体选自SiC、ZrC、HfC和TaC中的至少一种。

较佳的，所述纤维预制体为二维碳纤维预制体、三维碳纤维预制体或其混合结构。

较佳的，所述纤维预制体中纤维表面包覆界面层；所述界面层选自PyC、BN、 (PyC/SiC)n、(BN/SiC)n多层复合界面的至少一种；优选地，所述界面层的总厚度为0.1μm～ 1μm。

较佳的，所述混合相中，超高温陶瓷的含量为15vol％～40vol％，稀土氧化物的含量为1vol％～10vol％。

又，较佳的，所述超高温陶瓷和稀土氧化物体积含量比为(1.5～40)：1。