[发明专利]一种Al2O3填充Cf/PyC-SiCNWs复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Al2O3填充Cf/PyC‑SiCNWs复合材料及其制备方法，将K₂SiF₆粉、Si粉、Al2O3粉、CaCl₂粉、CsF粉，混合获得熔盐粉料A，将Cf/PyC多孔体包埋于熔盐粉料A中，然后于保护气氛下反应，冷却即得Al2O3填充Cf/PyC‑SiCNWs复合材料。本发明通过低温法制备的Al2O3填充Cf/PyC‑SiCNWs复合材料，含PyC‑SiCNWs双相界面，其中界面外层由SiCNWs与SiC纳米颗粒缠绕而成，界面内层为热解碳层组成，Al2O3填充在Cf/PyC‑SiCNWs复合材料的孔隙中，具有优异的抗氧化性能。

技术领域

本发明涉及一种Al2O3填充Cf/PyC-SiCNWs复合材料及其制备方法，属于耐高温抗氧化复合材料制备技术领域。

背景技术

由于炭/炭具有较高的机械比强度和模量、较高的导热系数和较低的热膨胀系数等优异的力学和热性能，广泛应用于热防护体系。然而，不幸的是，它有两个主要缺点，首先与大多数基体相不相容或者高温反应，其次在大于500℃的氧化气氛下易氧化。为了提高炭/炭（C/C）复合材料在高温有氧环境下的服役稳定性，高温陶瓷纤维防护被认为是在此条件下保护C/C复合材料最合理的选择之一。

为了使C/C复合材料在高温有氧环境下长时间应用并解决纤维/基体热膨胀系数不匹配等问题，通常在C/C复合材料中碳纤维表面设计多层复相界面，使其在外部陶瓷相失效时保护基体。界面层外层为高熔点高粘度层，例如，SiC、TiC、MoSi₂等。内层需要为界面层提供碳源并保护纤维在界面制备过程中不受损伤一般使用热解碳(PyC)层。SiC由于其高的熔点(2987℃)、稳定的物理化学性、抗氧化性，并且其氧化产物SiO₂具有较高的熔点的和较低的蒸气压可以很好地保护内部基体。另外SiC纳米线（SiCNWs）可以通过裂纹偏转有效的提升复材的力学性能，因此SiC是极好的界面外层备选材料。热解碳(PyC)由于其较低的热膨胀系数(1.8×10⁻⁶/℃)，与碳纤维极佳的相容性，可以很好的缓解碳纤维与陶瓷相的热膨胀不匹配问题，是作为界面内层的理想材料。因此PyC-SiCNWs双层界面层是提高碳纤维抗烧蚀性能的理想涂层。Al2O3由于其低氧扩散与高熔点是极好的C/C填充材料。

文献一“JING J Y， FU Q G， YUAN R M. Nanowire-toughened CVD-SiC coatingfor C/C composites with surface preoxidation[J]. Surface Engineering2017，34（1）：47-53.”使用CVD法，以SiO₂为原料，1873 K温度下在C/C基体上沉积了SiCNWs界面，在1773 K至室温的条件下进行热震实验，热震循环 15 次后有SiCNW界面的复材质量损失较无纳米线界面层相比提升67%。但是化学气相沉积法其具有设备昂贵、耗时长、污染环境等缺点，难以大规模应用。

文献二“WenJina , Yi Lu , Zhou Si , Wang Yi , Xiang Yang. Degradationbehavior of SiO₂f/Al2O3-SiO₂ composites: Anti-oxidation behavior andhightemperature flexural strength[J]. Ceramics International，2019，45：5195-5202.”使用溶胶凝胶法在SiO₂f纤维上制备出Al2O3填充的SiO₂f/Al2O3-SiO₂复合材料。研究表明，在1200℃氧化后，Al2O3添加的样品弯曲性能较未添加样品提升42.2%。但此方法存在明显的缺点，其需要10次的浸渍热处理步骤，制备周期较长，成本较高。

综上所述，研发耗时短，成本低，可以在高温有氧环境下长时间保护C/C复合材料纤维的界面涂层工艺势在必行。

发明内容