[发明专利]一种梯度陶瓷基复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种梯度陶瓷基复合材料及其制备方法，通过将ZrC陶瓷粉体和ZrB₂陶瓷粉体混匀作为固体组分，将酚醛树脂和PVB树脂混匀作为液体组分，将固体组分和液体组分进行混匀，得到陶瓷浆料；将陶瓷浆料均匀涂覆在至少N种具有不同面密度的碳布上，得到至少N种预浸料；将至少N种预浸料进行铺层，然后经固化得到碳纤维预制体；碳纤维预制体沿厚度方向的每层预浸料的面密度呈梯度变化；对碳纤维预制体进行裂解，得到多孔碳/碳中间体；将多孔碳/碳中间体置于硅粉中，利用反应熔渗，得到梯度陶瓷基复合材料。本发明提供的梯度陶瓷基复合材料密度低，兼具优异的高温抗烧蚀性能和力学性能，且制备工艺简单、成本低。

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料技术领域，特别涉及一种梯度陶瓷基复合材料及其制备方法。

背景技术

航天器以超高速进入大气层或在近空间巡航时会受到极端的气动热环境作用，为防止航天器被破坏，热防护系统起着至关重要的作用。在高超声速飞行过程中，热防护系统材料需要承受高温氧化(超过2000℃)、剧烈的热冲击和剧烈的气流冲刷。C/ZrC-ZrB₂-SiC复合材料是以连续碳纤维作为增强体，以ZrC-ZrB₂-SiC三元陶瓷为基体的复合材料。由于ZrC-ZrB₂-SiC三元陶瓷在很宽的温度范围内具有优异的协同抗氧化作用，可有效保护碳纤维骨架，因此，C/ZrC-ZrB₂-SiC复合材料具有轻质高强、耐高温抗氧化、耐烧蚀等性能，适用于超高温(超过2000℃)氧化服役环境，在航空航天领域应用广泛。

当前超高温陶瓷基复合材料的制备工艺主要有前驱体浸渍裂解(PIP)、化学气相渗透(CVI)、反应熔渗(RMI)、料浆浸渍等。公开号为CN102515870A的中国专利公开了在C/SiC中引入B₄C和C有机前驱体，结合反应熔体渗透法利用硅锆合金与B₄C、C反应原位生成SiC、ZrB₂、ZrC，得到C/SiC-ZrB₂-ZrC复合材料，但制备工艺复杂。公开号为CN112521157A的中国专利公开了采用料浆真空浸渍结合反应熔渗制备得到C/(Hf,Zr)C-(Hf,Zr)B₂-SiC复合材料，虽然提高了其抗烧蚀性能，但由于预制体纤维体积分数高，料浆难以进入到材料内部，各陶瓷组元分布不均匀，导致该复合材料的密度偏高。

发明内容

本发明实施例提供了一种梯度陶瓷基复合材料及其制备方法，该梯度陶瓷基复合材料在每个梯度层上各陶瓷组元分布均匀，既具有低密度、优异的高温抗烧蚀性能和力学性能，又具有制备工艺简单且成本低的特点。

第一方面，本发明提供了一种梯度陶瓷基复合材料的制备方法，所述制备方法包括：

(1)将ZrC陶瓷粉体和ZrB₂陶瓷粉体混匀作为固体组分，将酚醛树脂和PVB树脂混匀作为液体组分，将所述固体组分和所述液体组分进行混匀，得到陶瓷浆料；

(2)将所述陶瓷浆料均匀涂覆在至少N种具有不同面密度的碳布上，得到至少N种预浸料；

(3)将所述至少N种预浸料进行铺层，然后经固化得到碳纤维预制体；其中，所述碳纤维预制体沿厚度方向的每层预浸料的面密度呈梯度变化，且每份预浸料中包括至少一层预浸料；

(4)对所述碳纤维预制体进行裂解，得到多孔碳/碳中间体；

(5)将所述多孔碳/碳中间体置于硅粉中，利用反应熔渗，得到所述梯度陶瓷基复合材料。

优选地，所述ZrC陶瓷粉体和所述ZrB₂陶瓷粉体的粒径均为100～2000nm。

更优选地，所述ZrC陶瓷粉体和所述ZrB₂陶瓷粉体的粒径均为200～1000nm。