[发明专利]耐极端环境碳基复合材料主动热疏导和长寿命防氧化烧蚀结构及制备方法

说明书

本发明涉及一种耐极端环境碳基复合材料主动热疏导和长寿命防氧化烧蚀结构及制备方法，基于碳基复合材料涂层与基体改性协同抗氧化烧蚀思路，将具备“快速热疏散”能力的高导热碳材料、“高阻氧、抗燃气冲刷”新型多元陶瓷复合，通过热解碳序构沉积、梯度化、高低膨胀系数多层交替等多种手段有效调控异质界面的匹配相容性，利用热疏导增强体结构的快速散热，可将烧蚀条件下材料驻点温度降低200℃以上，氧乙炔烧蚀环境下抗烧蚀时间大于1500s。借助复合材料基体改性与涂层协同防氧化机制，通过发挥多元陶瓷氧化产物的耐温阻氧愈合裂纹作用，可实现宽温域环境下的长时有效防氧化。

技术领域

本发明属于碳基复合材料烧蚀结构及制备方法，涉及一种耐极端环境碳基复合材料主动热疏导和长寿命防氧化烧蚀结构及制备方法。

背景技术

高超声速飞行器被誉为是继螺旋桨、吸气式推进飞行器之后世界航空航天史上的第三次革命。高超声速飞行器在高速飞行过程中，一方面来流受到飞行器的阻挡而产生弓形激波，弓形激波压缩空气，使得高速动能转化成热能对飞行器壁面进行加热；另一方面，由于粘性的作用，气流与飞行器表面剧烈摩擦使得动能进一步转化为热能。持续的高热流输入使得飞行器面临极端热环境，一旦超过了防护材料允许的服役范围，飞行器结构就会遭到破坏，因此耐极端环境的超高温热防护系统成为制约高超声速飞行器研制与发展的技术。碳基复合材料具有优异的高温力学性能、低密度 (2.0g/cm³)、高比强、高比模、低热膨胀系数等特点，被认为是高超声速飞行器热防护系统最具前途的候选材料之一。然而，单纯的碳材料极易高温氧化烧蚀损耗，不能满足热防护需求。引入抗烧蚀性能优异的超高温陶瓷组元是解决该难题的有效方法。

目前超高温陶瓷改性碳基复合材料的研究主要集中于耐烧蚀超高温陶瓷涂层及基体改性两方面。近年来，国内外学者重点研究了ZrC-SiC(Journal of the EuropeanCeramic Society 42(3)(2021)830-840)、ZrB₂-SiC(Journal of Alloys and Compounds750 (2018)857-862)、HfC-SiC(Journal of the European Ceramic Society 38(5)(2018) 2297-2303)、ZrC-ZrB₂-SiC(Corrosion Science 134(2018)49-56)、HfC-ZrC-SiC(ZL201510947069X)等二元或多元超高温陶瓷改性碳基复合材料。在烧蚀过程中，材料表层的陶瓷氧化后可形成蒸汽压低、黏度适中的氧化物保护膜，有效提高碳材料的高温耐烧蚀性能。然而，随着烧蚀时间与温度的进一步提升，驻点热积聚会使得此类超高温陶瓷组元在长时间烧蚀条件下，因SiC相不断消耗而被氧化成疏松多孔结构，抗氧气渗透能力大幅下降，不能有效满足高超声速飞行器耐超高温、长航时的发展需求。因此，亟需发展新型热防护结构，探索其热控管理构筑方法，提升陶瓷氧化膜在较宽温度区间的黏度和稳定性，以实现碳基复合材料长寿命防护性能的显著提升。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种耐极端环境碳基复合材料主动热疏导和长寿命防氧化烧蚀结构及制备方法。

技术方案

一种耐极端环境碳基复合材料主动热疏导和长寿命防氧化烧蚀结构，其特征在于包括由高导热/承力预制体结构和热控基元构成的导热-承载预制体，导入多元高熵陶瓷后得到的陶瓷改性的碳基复合材料，以及在碳基复合材料表面制备抗氧化烧蚀涂层；所述高导热/承力预制体结构为采用中间相沥青纤维与聚丙烯腈基碳纤维混合编织的碳纤维结构；所述多元高熵陶瓷在复合材料内部呈现梯度或高低膨胀系数多层交替分布结构。

所述热控基元为热解碳、石墨烯或导热金属。

所述烧蚀结构在烧蚀条件下材料驻点温度降低200℃以上，氧乙炔烧蚀环境下抗烧蚀时间大于1500s。