CN103724039A - 一种可传输冷却液或气的C/C-ZrC陶瓷基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种可传输冷却液或气的C/C-ZrC陶瓷基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了提供一种可传输冷却液或气的C/C-ZrC陶瓷基复合材料，由C基体、ZrC基体、碳纤维增强体和孔道组成，其特征在于孔道均匀存在于C/C-ZrC陶瓷基复合材料靠近表面的部分。所述的孔道截面为圆形，其形状可为直线形或弯曲形，孔道与孔道之间可平行分布或交。所述的ZrC基体由内向外含量逐渐增加，呈梯度分布。本发明的复合材料可显著降低复合材料的表面温度，提高材料高温氧化以及抗冲刷腐蚀性能。

Description

一种可传输冷却液或气的C/C-ZrC陶瓷基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种C/C-ZrC陶瓷基复合材料及其制备方法，特别是涉及一种可传输冷却液或气的C/C-ZrC陶瓷基复合材料及其制备方法。 
技术背景
C/C复合材料的比强度、比模量高，2000℃以上的高温仍保持其高强度、摩擦性能和抗热震性能，是最有前途的高温结构材料。然而，碳在370℃的有氧气氛中开始氧化，高于500℃时迅速氧化，导致C/C复合材料毁灭性破坏。通过基体改性的方法，即在C基体中添加各种抗氧化剂，可以将C/C复合材料在空气中的抗氧化温度提高到800℃。C/SiC复合材料具有低密度、高强度、一耐高温、抗烧蚀和抗冲刷等一系列优异性能，同时具有比C/C复合材料更好的抗氧化性。但作为实际用途上的耐高温抗氧化材料，其高温抗氧化性还远远不够。因此，对用作高温热结构材料的C/C复合材料或者C/SiC复合材料必须进行合适的保护。对复合材料的保护一般有两种，一种是降低材料的温度；二是在材料表面制备耐高温防止氧化涂层。 
文献“The Chemical Vapor Deposition(CVD)of Refractory Metal Carbides,H.O.Pieeson,High Temperature Materials and Processes,Vo1.11,Nos.1-4，1993,pp.239-246”公开了一种采用化学气相沉积工艺在材料表面制备ZrC涂层的方法，可制备厚度为十到几十个微米的ZrC涂层。但是，文献所提供的防氧化涂层的存在一个严重的缺陷是涂层与基材结合强度较弱，在高速气流冲刷环境下，容易脱落，无法实现对基体的有效保护，致使复合材料使用性能严重下降。 
发明内容
本发明的目的旨在克服现有C/C复合材料不宜在高温有氧环境中使用的缺陷，提供了一种在高温环境中能够耐高温抗氧化能有效降低C/C-ZrC陶瓷基复合材料表面温度的方法。 
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：提供一种可传输冷却液或气的C/C-ZrC陶瓷基复合材料，由C基体、ZrC基体、碳纤维增强体和孔道组成，其特征在于孔道均匀存在于C/C-ZrC陶瓷基复合材料靠近表面的部分。所述的孔道截面为圆形，直径为0.5～2mm，孔道层距离表面的厚度为4～10mm。孔道占整体材料的体积比率为5～35％，其形状可为直线形或弯曲形，孔道与孔道之间可平行分布或交。所述的ZrC基体由内向外含量逐渐增加，呈梯度分布。 
本发明还公开了一种可传输冷却液或气的C/C-ZrC陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤： 
(1)称取纯度为99.7％，粒度为200μm的金属锆粉，装入行星式球磨机中，球磨30～90min； 
(2)在碳纤维编织或叠层形成的增强结构中预制Nb丝在其中，Nb丝的直径为0.5～2mm，Nb丝距离表面4～10mm； 
(3)通过化学气相沉积、化学气相渗透或液相浸渍的方法进行C基增密，增密达到70～80％体积分数，然后进行高温碳化处理合成C/C骨架，温度1500～2500℃； 
(4)将经步骤(1)制备的锆粉体的一半放置于不锈钢容器中，放入经步骤(3)处理的C/C骨架，再放入另一半混合粉体覆盖，然后密封不锈钢容器； 
(5)将密封的不锈钢容器在高温炉中氩气气氛保护下1100～1500℃下热处理10～35h，然后随炉冷却至室温； 
(6)取出制件，将所制备的复合材料浸渍于氢氟酸和硫酸的混合溶液中，或者将复合材料放入电解槽中，在Nb丝的一端通电压，保持一段时间； 
(7)将复合材料真空除气、除水，或晾干，或热风烘干； 
(8)得到可传输冷却液或气的C/C-Zr陶瓷基复合材料。 
本发明的有益效果：(1)可在该复合材料内部通入冷却液或气以吸收热量，可显著降低复合材料的表面温度；(2)Nb丝经过氢氟酸和硫酸的混合溶液腐蚀掉后，会在内壁形成一层致密的NbC涂层，可防止液体渗透到复合材料的表面。(3)包埋法制备的梯度ZrC层能够有效缓基体与ZrC解热膨胀系数不匹配问题，提高材料高温氧化以及抗冲刷腐蚀性能。 
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。 
实施例 
一种可传输冷却液或气的C/C-ZrC陶瓷基复合材料，由C基体、ZrC基体、碳纤维增强体和孔道组成，其特征在于孔道均匀存在于C/C-ZrC陶瓷基复合材料靠近表面的部分。所述的孔道截面为圆形，直径为1mm，孔道层距离表面的厚度为8mm。孔道占整体材料的体积比率为20％，其形状可为直线形或弯曲形，孔道与孔道之间可平行分布或交。所述的ZrC基体由内向外含量逐渐增加，呈梯度分布。 
本发明还公开了一种可传输冷却液或气的C/C-ZrC陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤： 
(3)称取纯度为99.7％，粒度为200μm的金属锆粉，装入行星式球磨机中，球磨60min； 
(4)在碳纤维编织或叠层形成的增强结构中预制Nb丝在其中，Nb丝的直径为1mm，Nb丝距离表面8mm； 
(3)通过化学气相渗透的方法进行C基增密，增密达到75％体积分数，然后进行高温碳化处理合成C/C骨架，温度2000℃； 
(4)将经步骤(1)制备的锆粉体的一半放置于不锈钢容器中，放入经步骤(3)处理的C/C骨架，再放入另一半混合粉体覆盖，然后密封不锈钢容器； 
(5)将密封的不锈钢容器在高温炉中氩气气氛保护下1200℃下热处理20h，然后随炉冷却至室温； 
(6)取出制件，将所制备的复合材料浸渍于氢氟酸和硫酸的混合溶液中，保持一段时间； 
(7)将复合材料真空除气、除水，或晾干，或热风烘干； 
(8)得到可传输冷却液或气的C/C-Zr陶瓷基复合材料。 

Claims (6)

1.一种可传输冷却液或气的C/C-Zr陶瓷基复合材料，由C基体、ZrC基体、碳纤维增强体和孔道组成，其特征在于孔道均匀存在于C/C-Zr陶瓷基复合材料靠近表面的部分。
2.根据权利要求1所述的C/C-Zr陶瓷基复合材料，其特征在于所述的孔道截面为圆形，直径为0.5～2mm，孔道层距离表面的厚度为4～10mm。
3.根据权利要求1所述的C/C-Zr陶瓷基复合材料，其特征在于所述的孔道占整体材料的体积比率为5～35％。
4.根据权利要求1所述的C/C-Zr陶瓷基复合材料，其特征在于所述的孔道形状可为直线形或弯曲形，孔道与孔道之间可平行分布或交叉分布。
5.根据权利要求1所述的C/C-Zr陶瓷基复合材料，其特征在于所述的ZrC基体由内向外含量逐渐增加，呈梯度分布。
6.一种可传输冷却液或气的C/C-Zr陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：
(1)称取纯度为99.7％，粒度为200μm的金属锆粉，装入行星式球磨机中，球磨30～90min；
(2)在碳纤维编织或叠层形成的增强结构中预制Nb丝在其中，Nb丝的直径为0.5～2mm，Nb丝距离表面4～10mm；
(3)通过化学气相沉积、化学气相渗透或液相浸渍的方法进行C基增密，增密达到70～80％体积分数，然后进行高温碳化处理合成C/C骨架，温度1500～2500℃；
(4)将经步骤(1)制备的锆粉体的一半放置于不锈钢容器中，放入经步骤(3)处理的C/C骨架，再放入另一半混合粉体覆盖，然后密封不锈钢容器；
(5)将密封的不锈钢容器在高温炉中氩气气氛保护下1100～1500℃下热处理10～35h，然后随炉冷却至室温；
(6)取出制件，将所制备的复合材料浸渍于氢氟酸和硫酸的混合溶液中，或者将复合材料放入电解槽中，在Nb丝的一端通电压，保持一段时间；
(7)将复合材料真空除气、除水，或晾干，或热风烘干；
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CN101693628A (zh) * 2009-10-20 2010-04-14 西北工业大学 纤维增强ZrC陶瓷基复合材料的制备方法
CN101708999A (zh) * 2009-12-11 2010-05-19 中国人民解放军国防科学技术大学 C/ZrC陶瓷基复合材料及其制备方法
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王俊山等: "难熔金属及其化合物与C/C复合材料相互作用研究", 《宇航材料工艺》 *

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