[发明专利]连续碳纤维增强高熵陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种连续碳纤维增强高熵陶瓷复合材料及其制备方法。制备方法包括选取Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W中至少五种金属，按等摩尔或近等摩尔比例混合，在惰性气氛下熔炼得到高熵合金；将高熵合金铺陈于多孔碳/碳复合材料预制体表面，在惰性气氛下加热直至高熵合金熔融并保温，使熔融的高熵合金充分渗入多孔碳/碳复合材料预制体后，降温，制得连续碳纤维增强高熵陶瓷复合材料。本发明的方法工艺周期短、成本低、容易工程化，所制备的连续碳纤维增强高熵陶瓷复合材料整体致密度极高，并包含丰富的高模量耐高温连续高熵陶瓷相，具有十分优异的力学性能和抗高温氧化烧蚀性能。

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料技术领域，尤其涉及连续碳纤维增强高熵陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

高熵陶瓷是一种新兴的近等摩尔多组元单相固溶体陶瓷材料，其构型熵高，具有比传统陶瓷更为优异的性能，目前高熵陶瓷的大家族中已经涵盖了碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等。其中，碳化物高熵陶瓷具有超高模量及硬度、抗高温蠕变等十分优异的性能，有望成为新一代耐高温结构材料。然而，碳化物高熵陶瓷与传统陶瓷相似，具有共通的力学性能本征缺陷，即脆性高、韧性差。针对此问题，研究人员尝试将增强体，例如碳纤维、碳化硅颗粒等，引入至高熵陶瓷中制备成复合材料，以提高其强度及韧性。

Lu等(Journal of the European Ceramic Society,2020,40(5):1839-1847)采用放电等离子烧结法将20vol.％SiC颗粒掺入(TiZrHfNbTa)C高熵陶瓷，所得(TiZrHfNbTa)C-SiC复合材料具备了比(TiZrHfNbTa)C高熵陶瓷更优异的维氏硬度、弯曲强度和断裂韧性等力学性能。Shen等(Ceramics International,2019,45(18):24508-24514)采用相同的方法将SiC引入(TiZrHfNbTa)B₂高熵陶瓷制备得到复合材料，同样发现SiC增强体提升了复合材料的力学性能。Cai等(Journal of the European Ceramic Society,2021,41(12):5863-5871)通过前驱体浸渍热解法制备得到了碳纤维增强(TiZrHfNbTa)C高熵陶瓷和SiC陶瓷二元基体复合材料。经过多轮的浸渍-热解，复合材料得到了显著的致密化，复合材料具有优异的力学性能。Zhang等(Journal of the European Ceramic Society,2022,42(7):3099-3106)通过陶瓷前驱体制备涂覆浆料并采用纤维层铺的方法制备得到C/BN/(TiZrHfNbTa)C-SiC复合材料，由于碳纤维的增强增韧作用，复合材料具有良好的力学性能。从以上可知目前获得碳化物高熵陶瓷复合材料的方法一般通过高温烧结法或者前驱体浸渍热解法。然而，这两种方法存在着明显的局限性，其中，高温烧结法难以制备连续增强体复合材料并且样品尺寸也受到极大的限制，而前驱体浸渍热解法的制备成本高、工艺周期长并且所制复合材料致密度相对较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种快速制备连续碳纤维增强高熵陶瓷复合材料的制备方法，还提供一种孔隙率极低、力学性能和抗高温烧蚀性能优异的高致密连续碳纤维增强高熵陶瓷复合材料。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种连续碳纤维增强高熵陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)选取Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W中至少五种金属为原料，按等摩尔比例或近等摩尔比例混合，在惰性气氛下进行熔炼直至熔融，待熔体凝固后，翻转所得合金锭并重复前述工艺再次熔炼合金，得到高熵合金；

(2)将高熵合金铺陈于多孔碳/碳复合材料预制体表面，在惰性气氛下加热直至高熵合金熔融并保温，待熔融的高熵合金充分渗入多孔碳/碳复合材料预制体后，降温，得到连续碳纤维增强高熵陶瓷复合材料。