CN104909793A - 耐烧蚀复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

耐烧蚀复合材料及其制备方法，它涉及一种耐烧蚀复合材料及其制备方法。本发明是为了解决现有C/C复合材料在高温条件下易氧化的技术问题。耐烧蚀复合材料按照体积分数由50％～90％的C/C复合材料和10％～50％的浸渗剂制成，制备方法：一、称取原料；二、将浸渗剂置于石墨模具中，放入高温炉，抽真空升温，加压；三、利用填料杆将C/C复合材料置于石墨模具中，保温，冷却至室温，即得。本发明在烧蚀过程中，在复合材料表面生成具有良好抗氧化性能的熔融SiO2层，而弥散分布在液态SiO2中的稀土元素，提高了熔融SiO2的粘度，使得熔融SiO2层能够有效抵抗高速气流冲刷，抑制基体的高温烧蚀。本发明属于复合材料的制备领域。

Description

耐烧蚀复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐烧蚀复合材料及其制备方法。
背景技术
耐烧蚀复合材料通常是指应用于升温速率大于500℃/s，工作温度大于2000℃，且需要承受高速气流冲刷及高速粒子侵蚀的复合材料，是国防、航天航空领域重要的工程材料。
其中C/C复合材料具有低比重，高比强，高比模，低热膨胀系数，耐烧蚀等一系列优异特性，使其在航空航天领域有着其他材料无法比拟的应用前景。但C/C复合材料有一个致命的缺点，即在高温条件下易氧化，且氧化速率随着温度升高迅速增加。如果对易氧化缺点不加以防范，将引发灾难性的后果。目前用于解决C/C复合材料抗氧化的方法主要是涂层法和基体改性法。涂层技术虽然可以有效将氧气氛和C/C复合材料隔离开来，但是涂层和C/C复合材料的物理化学相容性问题一直不能得到很好的解决，且对于比较苛刻的条件下，在高速粒子冲刷和高低温瞬时热震等极端环境下，表面涂层容易剥离，腐蚀，脱落从而导致失效。基体改性技术着力于以材料本身抑制氧化反应，通过对于碳纤维和解热碳的改性处理，使其本身具有较好的抗氧化能力，近年来得到各国的广泛关注。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有C/C复合材料在高温条件下易氧化的技术问题，提供了一种耐烧蚀复合材料及其制备方法。
耐烧蚀复合材料按照体积分数由50％～90％的C/C复合材料和10％～50％的浸渗剂制成，所述浸渗剂为硅或硅合金与稀土组成的混合物，其中硅或硅合金与稀土的质量比为(7-9)：(1-3)。
所述的C/C复合材料密度为1.3g/cm3-1.8g/cm3，所述C/C复合材料中碳纤维型号为T700、T800、M35、M40或M60。
所述硅合金为Si-Al合金、Si-Mg合金、Si-Cu合金或Si-Ti合金。
所述稀土为钇及铈中的一种或两种。
耐烧蚀复合材料的制备方法按照以下步骤进行：
一、按体积分数为50％～90％C/C复合材料，10％～50％浸渗剂，称取原料；
二、将浸渗剂置于石墨模具中，放入高温炉，抽真空至1×10-2～1×10-4Pa，以30～50℃/min的升温速率升温至1500～2300℃，充入氩气，加压至1×107～3×107Pa；
三、利用填料杆将C/C复合材料置于石墨模具中，保温0.25～0.5h，之后随炉冷却至室温，即得耐烧蚀复合材料。
本发明提出的压力浸渗法制备的复合材料，以高温性能及抗热震性优异的C/C复合材料为骨架，利用浸渗剂中的硅或其合金与氧反应，在表面生成致密的SiC。在烧蚀过程中，在复合材料表面生成具有良好抗氧化性能的熔融SiO2层，而弥散分布在液态SiO2中的稀土元素，提高了熔融SiO2的粘度，使得熔融SiO2层能够有效抵抗高速气流冲刷，抑制基体的高温烧蚀，使耐热构件在烧蚀过程中保持良好气动外形尺寸。此外，Si融化的过程中吸热，会有效减缓表面温度的迅速升高且表面的SiC原位抗烧蚀，这些因素都有效增强了C/C-Si复合材料的抗烧蚀性能。本发明的耐烧蚀复合材料，可广泛用于国防、航空、航天等领域，可以用于超高温，强冲刷，高频振动，高低温瞬时热震等极端环境。本发明提出的压力浸渗法制得的耐烧蚀复合材料密度较低(2.1-3.6g/cm3)，并且具有优良的抗热震性，国军标氧乙炔烧蚀60s测得的线烧蚀率在1.5-8.5μm/s之间，抗烧蚀作用突出。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式耐烧蚀复合材料按照体积分数由50％～90％的C/C复合材料和10％～50％的浸渗剂制成，所述浸渗剂为硅或硅合金与稀土组成的混合物，其中硅或硅合金与稀土的质量比为(7-9)：(1-3)。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的C/C复合材料密度为1.3g/cm3-1.8g/cm3，所述C/C复合材料中碳纤维型号为T700、T800、M35、M40或M60。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式中所述碳纤维原料来源为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维或气相生长碳纤维。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是所述硅合金为Si-Al合金、Si-Mg合金、Si-Cu合金或Si-Ti合金。其它与具体实施方式一或二之一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是所述稀土为钇及铈中的一种或两种。其它与具体实施方式一至三之一相同。
本实施方式中所述的稀土为钇及铈的组合物时，各成分间为任意比。
具体实施方式五：具体实施方式一所述耐烧蚀复合材料的制备方法按照以下步骤进行：
一、按体积分数为50％～90％C/C复合材料，10％～50％浸渗剂，称取原料；
二、将浸渗剂置于石墨模具中，放入高温炉，抽真空至1×10-2～1×10-4Pa，以30～50℃/min的升温速率升温至1500～2300℃，充入氩气，加压至1×107～3×107Pa；
三、利用填料杆将C/C复合材料置于石墨模具中，保温0.25～0.5h，之后随炉冷却至室温，即得耐烧蚀复合材料。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是步骤一中所述的C/C复合材料密度为1.3g/cm3-1.8g/cm3，所述C/C复合材料中碳纤维型号为T700、T800、M35、M40或M60。其它与具体实施方式五相同。
本实施方式中所述碳纤维原料来源为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维或气相生长碳纤维。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六不同的是步骤一中所述浸渗剂为硅或硅合金与稀土组成的混合物，其中硅或硅合金与稀土的质量比为(7-9)：(1-3)，所述硅合金为Si-Al合金、Si-Mg合金、Si-Cu合金或Si-Ti合金，所述稀土为钇及铈中的一种或两种。其它与具体实施方式五或六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七之一不同的是步骤一中按体积分数为80％C/C复合材料，20％浸渗剂，称取原料。其它与具体实施方式五至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五至八之一不同的是步骤二中以40℃/min的升温速率升温至2000℃。其它与具体实施方式五至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式五至九之一不同的是步骤二中加压至2×107Pa。其它与具体实施方式五至九之一相同。
采用下述实验验证本发明效果：
实验一：
耐烧蚀复合材料的制备方法按照以下步骤进行：
步骤一：按体积称取70份的硅，30份的钇，然后混合均匀得到浸渗剂。
步骤二：选取密度为1.3g/cm3碳纤维型号为M40的C/C复合材料，加工成构件，在60℃下烘干2h。
步骤三：将混好的浸渗剂置于高纯石墨模具中，放入高温炉，在1×10-2Pa的真空条件下以30℃/min的升温速率升温至1500℃，充入氩气至压力为1×107Pa。
步骤四：通过填料杆将者构件置于石墨模具中，浸渗0.25h，即得耐烧蚀复合材料。
本实验耐烧蚀复合材料密度为2.2-2.4g/cm3。通过国军标氧乙炔烧蚀60s试验测得的线烧蚀率为7.4-8.3μm/s。
实验二：
耐烧蚀复合材料的制备方法按照以下步骤进行：
步骤一：按体积称取85份的硅，15份的钇，然后混合均匀得到浸渗剂。
步骤二：选取密度为1.5g/cm3的碳纤维型号为M40的C/C复合材料，加工成构件，在60℃下烘干2h。
步骤三：将混好的浸渗剂置于高纯石墨模具中，放入高温炉，在1×10-2Pa的真空条件下以30℃/min的升温速率升温至1600℃，充入氩气至压力为2×107Pa。
步骤四：通过填料杆将基体或者构件置于石墨模具中，浸渗0.35h，即得耐烧蚀复合材料。
本实验的耐烧蚀复合材料密度为2.1-2.3g/cm3。通过国军标氧乙炔烧蚀60s试验测得的线烧蚀率为6.3-7.5μm/s。
实验三：
耐烧蚀复合材料的制备方法按照以下步骤进行：
步骤一：按体积称取85份的Si-Al合金,15份的钇，然后混合均匀得到浸渗剂。
步骤二：选取密度为1.5g/cm3的碳纤维型号为M40的C/C复合材料，加工成构件，在60℃下烘干2h。
步骤三：将混好的浸渗剂置于高纯石墨模具中，放入高温炉，在1×10-2Pa的真空条件下以30℃/min的升温速率升温至1500℃，充入氩气至压力为2×107Pa。
步骤四：通过填料杆将基体或者构件置于石墨模具中，浸渗0.5h，即得耐烧蚀复合材料。
本实验的耐烧蚀复合材料密度为2.2-2.4g/cm3。通过国军标氧乙炔烧蚀60s试验测得的线烧蚀率为1.5-2.8μm/s。
实验四：
耐烧蚀复合材料的制备方法按照以下步骤进行：
步骤一：按体积称取90份Si-Cu合金，10份的钇，然后混合均匀得到浸渗剂。
步骤二：选取密度为1.8g/cm3的碳纤维型号为M60的C/C复合材料，加工成构件，在100℃下烘干4h。
步骤三：将混好的浸渗剂置于高纯石墨模具中，放入高温炉，在1×10-2Pa的真空条件下以50℃/min的升温速率升温至2300℃，充入氩气至压力为2×107Pa。
步骤四：通过填料杆将基体或者构件置于石墨模具中，浸渗0.25h，即得耐烧蚀复合材料。
本实验的耐烧蚀复合材料密度为2.5-3.6g/cm3。通过国军标氧乙炔烧蚀60s试验测得的线烧蚀率为3.8-4.6μm/s。
实验五：
耐烧蚀复合材料的制备方法按照以下步骤进行：
步骤一：按体积称取70份的硅，30份的铈，然后混合均匀得到浸渗剂。
步骤二：选取密度为1.7g/cm3碳纤维型号为M40的C/C复合材料，加工成构件，在60℃下烘干2h。
步骤三：将混好的浸渗剂置于高纯石墨模具中，放入高温炉，在1×10-2Pa的真空条件下以30℃/min的升温速率升温至1500℃，充入氩气至压力为1×107Pa。
步骤四：通过填料杆将基体或者构件置于石墨模具中，浸渗0.25h，即得耐烧蚀复合材料。
本实验的耐烧蚀复合材料密度为2.3-2.6g/cm3。通过国军标氧乙炔烧蚀60s试验测得的线烧蚀率为5.6-7.8μm/s。
实验六：
耐烧蚀复合材料的制备方法按照以下步骤进行：
步骤一：按体积称取85份的硅，15份的铈，然后混合均匀得到浸渗剂。
步骤二：选取密度为1.8g/cm3的碳纤维型号为M40的C/C复合材料，加工成构件，在60℃下烘干2h。
步骤三：将混好的浸渗剂置于高纯石墨模具中，放入高温炉，在1×10-2Pa的真空条件下以45℃/min的升温速率升温至2000℃，充入氩气至压力为3×107Pa。
步骤四：通过填料杆将基体或者构件置于石墨模具中，浸渗0.35h，即得耐烧蚀复合材料。
本实验的耐烧蚀复合材料密度为2.1-2.4g/cm3。通过国军标氧乙炔烧蚀60s试验测得的线烧蚀率为7.2-8.5μm/s。
实验七：
耐烧蚀复合材料的制备方法按照以下步骤进行：
步骤一：按体积称取85份的Si-Al合金,15份的铈，然后混合均匀得到浸渗剂。
步骤二：选取密度为1.4g/cm3的碳纤维型号为M40的C/C复合材料，加工成构件，在60℃下烘干2h。
步骤三：将混好的浸渗剂置于高纯石墨模具中，放入高温炉，在1×10-2Pa的真空条件下以30℃/min的升温速率升温至1500℃，充入氩气至压力为2×107Pa。
步骤四：通过填料杆将基体或者构件置于石墨模具中，浸渗0.5h，即得耐烧蚀复合材料。
本实验的耐烧蚀复合材料密度为2.1-2.4g/cm3。通过国军标氧乙炔烧蚀60s试验测得的线烧蚀率为1.2-2.5μm/s。
实验八：
耐烧蚀复合材料的制备方法按照以下步骤进行：
步骤一：按体积称取90份Si-Ti合金，10份的铈，然后混合均匀得到浸渗剂。
步骤二：选取密度为1.4g/cm3的碳纤维型号为M60的C/C复合材料，加工成构件，在100℃下烘干4h。
步骤三：将混好的浸渗剂置于高纯石墨模具中，放入高温炉，在1×10-2Pa的真空条件下以50℃/min的升温速率升温至2300℃，充入氩气至压力为3×107Pa。
步骤四：通过填料杆将基体或者构件置于石墨模具中，浸渗0.25h，即得耐烧蚀复合材料。
本实验的耐烧蚀复合材料密度为2.6-2.9g/cm3。通过国军标氧乙炔烧蚀60s试验测得的线烧蚀率为4.1-5.2μm/s。

Claims (10)

1.耐烧蚀复合材料，其特征在于耐烧蚀复合材料按照体积分数由50％～90％的C/C复合材料和10％～50％的浸渗剂制成，所述浸渗剂为硅或硅合金与稀土组成的混合物，其中硅或硅合金与稀土的质量比为(7-9)：(1-3)。
2.根据权利要求1所述耐烧蚀复合材料，其特征在于所述的C/C复合材料密度为1.3g/cm3-1.8g/cm3，所述C/C复合材料中碳纤维型号为T700、T800、M35、M40或M60。
3.根据权利要求1所述耐烧蚀复合材料，其特征在于所述硅合金为Si-Al合金、Si-Mg合金、Si-Cu合金或Si-Ti合金。
4.根据权利要求1所述耐烧蚀复合材料，其特征在于所述稀土为钇及铈中的一种或两种。
5.权利要求1所述耐烧蚀复合材料的制备方法，其特征在于耐烧蚀复合材料的制备方法按照以下步骤进行：
一、按体积分数为50％～90％C/C复合材料，10％～50％浸渗剂，称取原料；
二、将浸渗剂置于石墨模具中，放入高温炉，抽真空至1×10-2～1×10-4Pa，以30～50℃/min的升温速率升温至1500～2300℃，充入氩气，加压至1×107～3×107Pa；
三、利用填料杆将C/C复合材料置于石墨模具中，保温0.25～0.5h，之后随炉冷却至室温，即得耐烧蚀复合材料。
6.根据权利要求5所述耐烧蚀复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的C/C复合材料密度为1.3g/cm3-1.8g/cm3，所述C/C复合材料中碳纤维型号为T700、T800、M35、M40或M60。
7.根据权利要求5所述耐烧蚀复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述浸渗剂为硅或硅合金与稀土组成的混合物，其中硅或硅合金与稀土的质量比为(7-9)：(1-3)，所述硅合金为Si-Al合金、Si-Mg合金、Si-Cu合金或Si-Ti合金，所述稀土为钇及铈中的一种或两种。
8.根据权利要求5所述耐烧蚀复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中按体积分数为80％C/C复合材料，20％浸渗剂，称取原料。
9.根据权利要求5所述耐烧蚀复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中以40℃/min的升温速率升温至2000℃。
10.根据权利要求5所述耐烧蚀复合材料的制备方法，其特征在于步骤二中加压至2×107Pa。
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