CN112341228A - 一种C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112341228A
CN112341228A CN202011237631.7A CN202011237631A CN112341228A CN 112341228 A CN112341228 A CN 112341228A CN 202011237631 A CN202011237631 A CN 202011237631A CN 112341228 A CN112341228 A CN 112341228A
Authority
CN
China
Prior art keywords
zrc
composite material
carbon cloth
powder
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202011237631.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112341228B (zh
Inventor
李晓东
刘俊鹏
霍鹏飞
宋环君
于新民
王涛
赵英民
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Original Assignee
Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology filed Critical Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority to CN202011237631.7A priority Critical patent/CN112341228B/zh
Publication of CN112341228A publication Critical patent/CN112341228A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112341228B publication Critical patent/CN112341228B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/38—Non-oxide ceramic constituents or additives
    • C04B2235/3817—Carbides
    • C04B2235/3826—Silicon carbides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/38—Non-oxide ceramic constituents or additives
    • C04B2235/3817—Carbides
    • C04B2235/3839—Refractory metal carbides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/48—Organic compounds becoming part of a ceramic after heat treatment, e.g. carbonising phenol resins
    • C04B2235/483—Si-containing organic compounds, e.g. silicone resins, (poly)silanes, (poly)siloxanes or (poly)silazanes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52—Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208—Fibers
    • C04B2235/5216—Inorganic
    • C04B2235/524—Non-oxidic, e.g. borides, carbides, silicides or nitrides
    • C04B2235/5248—Carbon, e.g. graphite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/77—Density
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C04B2235/9669—Resistance against chemicals, e.g. against molten glass or molten salts
    • C04B2235/9684—Oxidation resistance

Abstract

本发明涉及一种C/ZrC‑SiC超高温陶瓷基复合材料及其制备方法。所述方法：制备由碳布层和ZrC粉体层交替叠加铺层而成的加粉碳纤维预制体；在加粉碳纤维预制体表面制备C界面层，得到低密度C/C复合材料；以聚碳硅烷前驱体溶液作为浸渍液通过PIP工艺对低密度C/C复合材料进行SiC基体致密化；重复PIP工艺多次，制得C/ZrC‑SiC超高温陶瓷基复合材料。本发明方法工艺适用性强、且制备工艺简单、易操作，制得的C/ZrC‑SiC超高温陶瓷基复合材料中ZrC粉体添加量可调可控、具有优异的力学性能和抗氧化耐烧蚀性能，在航天航空领域具有广泛的应用前景。

Description

一种C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于热结构复合材料技术领域，尤其涉及一种C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料及其制备方法。
背景技术
C/SiC复合材料具有低密度、耐高温、高比模、高比强和抗热震等一系列优异性能，在航天航空领域得到广泛应用。为满足更高温度的环境需求，采用超高温陶瓷组元对C/SiC复合材料进行基体改性，从而获得超高温陶瓷基复合材料。
超高温陶瓷基复合材料的制备方法一般包括料浆浸渍及反应熔渗工艺。采用料浆法是通过超高温陶瓷粉体料浆的浸渍裂解实现超高温耐烧蚀基体的制备，该方法制备的复合材料基体中超高温抗氧化组元含量较低，且绝大部分分布在纤维束间的大孔中；采用反应熔渗工艺制备的复合材料基体中的超高温抗氧化组元含量和分布尚不可控，因此这两种方法制备的复合材料的力学性能及抗氧化耐烧蚀性能均不太理想。
中国专利申请CN110563479A公开了一种超高温陶瓷基复合材料的制备方法，该制备方法是先将陶瓷粉体和热固性酚醛树脂混合，配制成浆料；然后采用热熔胶膜将浆料和碳布复合，得到预浸料；然后将预浸料铺层后经过模压、热裂解、界面处理、致密化处理和反应熔渗法等步骤，最终制得了超高温陶瓷基复合材料。但是该专利申请中的制备方法受预浸料模压成型工艺限制，采用该方法制备大尺寸、大厚度构件时，在热裂解过程中分层风险较大，因此该方法仅适用于结构简单、壁厚较小的构件。
因此，非常有必要提供一种工艺适用性强，且制备工艺简单、ZrC粉体添加量可调可控、力学性能优异的C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料及其制备方法。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料及其制备方法。本发明方法工艺适用性强、且制备工艺简单、易操作，本发明制得的C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料中ZrC粉体添加量可调可控、同时具有优异的力学性能和优异的抗氧化耐烧蚀性能，在航天航空领域具有广泛的应用前景。
本发明在第一方面提供了一种C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)提供n份碳布和n-1份ZrC粉体，以每铺一层碳布层后在所述碳布层上铺设一层ZrC粉体层的方式，制备由碳布层和ZrC粉体层交替叠加铺层而成的加粉碳纤维预制体；
(2)在所述加粉碳纤维预制体的表面制备C界面层，得到低密度C/C复合材料；
(3)以聚碳硅烷前驱体溶液作为浸渍液通过PIP工艺对所述低密度C/C复合材料进行SiC基体致密化；
(4)重复步骤(3)多次，制得C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料。
优选地，在步骤(1)中，在所述碳布层上铺设所述ZrC粉体层的方式为：采用乙醇和/或水将ZrC粉体分散均匀，得到ZrC粉体分散液，然后将所述ZrC粉体分散液均匀喷洒在碳布层的表面从而在所述碳布层的表面铺层得到所述ZrC粉体层。
优选地，所述碳布层的层数和所述ZrC粉体层的层数之和为N，N为大于或者等于3的奇数。
优选地，所述加粉碳纤维预制体为针刺结构的加粉碳纤维预制体或缝合结构的加粉碳纤维预制体。
优选地，在所述加粉碳纤维预制体中，所述碳布层中含有的纤维与所述ZrC粉体层中含有的ZrC粉体的质量比为1：(0.2～2)。
优选地，在步骤(2)中，通过化学气相沉积工艺在所述加粉碳纤维预制体的表面制备C界面层，得到低密度C/C复合材料。
优选地，所述ZrC粉体的粒径为0.2～1.0μm；和/或所述聚碳硅烷前驱体溶液为聚碳硅烷前驱体的二甲苯溶液。
优选地，步骤(3)重复的次数为6～10次。
优选地，所述C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料的密度不低于2.0g/cm3，室温弯曲强度不低于200MPa。
本发明在第二方面提供了由本发明在第一方面所述的制备方法制得的C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料。
本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：
(1)本发明采用纳米ZrC超高温陶瓷粉体，在预制体的碳布铺层过程中添加纳米ZrC超高温陶瓷粉体，从而得到添加了ZrC粉体的加粉碳纤维预制体。
(2)本发明获得的C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料内ZrC粉体的量可调可控，可根据复合材料性能需要调控ZrC粉体的添加量，从而获得不同性能的超高温陶瓷基复合材料。
(3)本发明方法工艺适用性强、且制备工艺简单、易操作，本发明制得的C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料同时具有优异的力学性能和优异的抗氧化耐烧蚀性能，在航天航空领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1制得的C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料的微观形貌图(SEM图)。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明在第一方面提供了一种C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)提供n份碳布和n-1份ZrC(碳化锆)粉体，以每铺一层碳布层后在所述碳布层上铺设一层ZrC粉体层的方式，制备由碳布层和ZrC粉体层交替叠加铺层而成的加粉碳纤维预制体；在本发明中，每铺一层所述碳布层在所述碳布层上铺设一层由ZrC粉体形成的ZrC粉体层，即在碳布的铺层过程中添加纳米ZrC超高温陶瓷粉体，得到添加了ZrC粉体的加粉碳纤维预制体；具体地，在本发明中，制备加粉碳纤维预制体为：加粉碳纤维预制体的XY向交替叠加铺设所述碳布层和所述ZrC(碳化锆)粉体层，加粉碳纤维预制体的厚度方向(Z向)各层碳布层之间采用针刺或缝合的方式连接在一起，最终形成具有针刺结构或缝合结构的加粉碳纤维预制体。
(2)在所述加粉碳纤维预制体的表面制备C界面层，得到低密度C/C复合材料；本发明对C界面层的制备不做任何具有的限定，采用现有常规技术制备即可。
(3)以聚碳硅烷前驱体溶液(PCS前驱体溶液)作为浸渍液通过PIP工艺(浸渍-固化-裂解工艺)对所述低密度C/C复合材料进行SiC(碳化硅)基体致密化；本发明对PIP工艺的条件不做任何具体的限定，采用现有常规工艺条件即可；例如，在本发明中，以浓度为40～60wt.％的聚碳硅烷前驱体溶液作为浸渍液，通过真空浸渍/固化/裂解的PIP工艺对所述低密度C/C复合材料进行SiC基体致密化，所述真空浸渍的时间为1.5～3h；所述固化的温度为180～280℃，所述固化的时间为3～6h；在氮气气氛或氩气气氛中进行所述裂解，所述裂解的温度为800～1500℃，所述裂解的时间为2～7h。
(4)重复步骤(3)多次(两次及两次以上)，制得C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料。
本发明采用纳米ZrC超高温陶瓷粉体，在预制体的碳布铺层过程中添加纳米ZrC超高温陶瓷粉体，从而得到添加了ZrC粉体的加粉碳纤维预制体。本发明获得的C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料内ZrC粉体的量可调可控，可根据复合材料性能需要调控ZrC粉体的添加量，从而获得不同性能的超高温陶瓷基复合材料。本发明方法工艺适用性强，不仅适用于结构简单、壁厚较小的构件的制备，同时同样适用于大尺寸、大厚度构件的制备，且制备工艺简单、易操作，本发明制得的C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料同时具有优异的力学性能和优异的抗氧化耐烧蚀性能，在航天航空领域具有广泛的应用前景。
根据一些优选的实施方式，在步骤(1)中，在所述碳布层上铺设所述ZrC粉体层的方式为：采用乙醇和/或水将ZrC粉体分散均匀，得到ZrC粉体分散液，然后将所述ZrC粉体分散液均匀喷洒在碳布层的表面从而在所述碳布层的表面铺层得到所述ZrC粉体层。
根据一些优选的实施方式，所述碳布层的层数和所述ZrC粉体层的层数之和为N，N为大于或者等于3的奇数。在本发明中，用n表示所述碳布层的层数，n-1表示所述ZrC粉体层的层数，并且总层数N＝2n-1，所述碳布层的层数比所述ZrC粉体层的层数至少多1层。本发明对碳布的总层数以及ZrC粉体层的总层数没有特别的要求，例如可以根据需要确定预制体的总层数。
根据一些具体的实施方式，提供n份碳布和n-1份ZrC粉体，以每铺一份碳布后在所述碳布上铺设一份ZrC粉体的方式将n份所述碳布和n-1份所述ZrC粉体进行交替叠加铺层，交替叠加铺层后通过针刺或缝合的方式最终形成由碳布层和ZrC(碳化锆)粉体层交替叠加铺层而成的具有针刺结构或缝合结构的加粉碳纤维预制体。
根据一些优选的实施方式，所述加粉碳纤维预制体为针刺结构的加粉碳纤维预制体或缝合结构的加粉碳纤维预制体。
根据一些优选的实施方式，在所述加粉碳纤维预制体中，所述碳布层中含有的纤维与所述ZrC粉体层中含有的ZrC粉体的质量比为1：(0.2～2)(例如1:0.2、1:0.4、1:0.6、1:0.8、1:1、1:1.2、1:1.4、1:1.6、1:1.8或1:2)
在本发明中，每层所述碳布层中含有的纤维与每层所述ZrC粉体层中含有的ZrC粉体的质量比可以相同或者不相同，但优选为总的所述碳布层中含有的纤维与总的所述ZrC粉体层中含有的ZrC粉体的质量比为1：(0.2～2)。
根据一些优选的实施方式，在步骤(2)中，通过化学气相沉积工艺在所述加粉碳纤维预制体的表面制备C界面层，得到低密度C/C复合材料。本发明对制备C界面层的化学气相沉积工艺(CVI工艺)不做任何具有的限定，采用现有常规技术即可，本领域技术人员可以根据具体要求进行选择。
根据一些优选的实施方式，所述ZrC粉体的粒径为0.2～1.0μm，本发明对所述ZrC粉体的粒径没有特别的要求，在一些优选的实施例中，所述ZrC粉体的粒径例如可以为0.2～1.0μm；和/或所述聚碳硅烷前驱体溶液为聚碳硅烷前驱体的二甲苯溶液(PCS前驱体/二甲苯溶液)。
根据一些优选的实施方式，步骤(3)重复的次数为6～10次(例如6、7、8、9或10次)。
根据一些优选的实施方式，所述C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料的密度不低于2.0g/cm3，室温弯曲强度不低于200MPa。
根据一些具体的实施方式，所述C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料的制备为：
采用纳米ZrC超高温陶瓷粉体，采用乙醇或纯净水作为稀释剂将ZrC粉体分散均匀，在采用多层碳布铺层形成碳纤维预制体的过程中添加纳米ZrC超高温陶瓷粉体，制备方式为一层碳布+一层ZrC粉体交替叠加铺层，得到添加了ZrC粉体的加粉碳纤维预制体，厚度方向采用针刺或缝合的方式制备而成；采用CVI工艺制备C界面层；以PCS前驱体/二甲苯溶液作为浸渍液，采用PIP工艺制备SiC基体；经过多个PIP工艺循环，获得C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料。
本发明在第二方面提供了由本发明在第一方面所述的制备方法制得的C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料。
下文将通过举例的方式对本发明进行进一步的说明，但是本发明的保护范围不限于这些实施例。
实施例1
①制备碳布叠层缝合结构的加粉碳纤维预制体，制备方式为一层碳布+一层ZrC粉体交替叠加铺层，然后通过缝合的方式形成具有缝合结构的加粉碳纤维预制体；其中，预制体内碳布含有的纤维与预制体内ZrC粉体的质量比为1:1，加粉碳纤维预制体的密度为1.10g/cm3。
②采用化学气相沉积工艺在所述加粉碳纤维预制体的表面制备C界面层，制得低密度C/C复合材料，沉碳的密度增量为0.1g/cm3。
③以聚碳硅烷前驱体溶液为浸渍液，采用PIP工艺进行SiC基体致密化。
④进行8个循环PIP工艺致密化，获得C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料。
本实施例制备的C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料的密度为2.42g/cm3，室温弯曲强度为296MPa。抗氧化耐烧蚀性能优异，1800℃氧乙炔烧蚀试验的质量烧蚀率为0.8×10- 4g/(cm2·s)。
实施例2
①制备碳布叠层缝合结构的加粉碳纤维预制体，制备方式为一层碳布+一层ZrC粉体交替叠加铺层，然后通过缝合的方式形成具有缝合结构的加粉碳纤维预制体；其中，预制体内碳布含有的纤维与预制体内ZrC粉体的质量比为1:0.2。
②采用化学气相沉积工艺在所述加粉碳纤维预制体的表面制备C界面层，制得低密度C/C复合材料，沉碳的密度增量为0.1g/cm3。
③以聚碳硅烷前驱体溶液为浸渍液，采用PIP工艺进行SiC基体致密化。
④进行8个循环PIP工艺致密化，获得C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料。
本实施例制备的C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料的密度1.96g/cm3，室温弯曲强度为336MPa。1800℃氧乙炔烧蚀试验的质量烧蚀率为9.5×10-4g/(cm2·s)。
实施例3
①制备碳布叠层缝合结构的加粉碳纤维预制体，制备方式为一层碳布+一层ZrC粉体交替叠加铺层，然后通过缝合的方式形成具有缝合结构的加粉碳纤维预制体；其中，预制体内碳布含有的纤维与预制体内ZrC粉体的质量比为1:0.5。
②采用化学气相沉积工艺在所述加粉碳纤维预制体的表面制备C界面层，制得低密度C/C复合材料，沉碳的密度增量为0.1g/cm3。
③以聚碳硅烷前驱体溶液为浸渍液，采用PIP工艺进行SiC基体致密化。
④进行8个循环PIP工艺致密化，获得C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料。
本实施例制备的C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料的密度为2.15g/cm3，室温弯曲强度为314MPa。1800℃氧乙炔烧蚀试验的质量烧蚀率为3.9×10-4g/(cm2·s)。
实施例4
①制备碳布叠层缝合结构的加粉碳纤维预制体，制备方式为一层碳布+一层ZrC粉体交替叠加铺层，然后通过缝合的方式形成具有缝合结构的加粉碳纤维预制体；其中，预制体内碳布含有的纤维与预制体内ZrC粉体的质量比为1:1.5。
②采用化学气相沉积工艺在所述加粉碳纤维预制体的表面制备C界面层，制得低密度C/C复合材料，沉碳的密度增量为0.1g/cm3。
③以聚碳硅烷前驱体溶液为浸渍液，采用PIP工艺进行SiC基体致密化。
④进行8个循环PIP工艺致密化，获得C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料。
本实施例制备的C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料的密度为2.73g/cm3，室温弯曲强度为201MPa。1800℃氧乙炔烧蚀试验的质量烧蚀率为0.5×10-4g/(cm2·s)。
实施例5
①制备碳布叠层缝合结构的加粉碳纤维预制体，制备方式为一层碳布+一层ZrC粉体交替叠加铺层，然后通过缝合的方式形成具有缝合结构的加粉碳纤维预制体；其中，预制体内碳布含有的纤维与预制体内ZrC粉体的质量比为1:2。
②采用化学气相沉积工艺在所述加粉碳纤维预制体的表面制备C界面层，制得低密度C/C复合材料，沉碳的密度增量为0.1g/cm3。
③以聚碳硅烷前驱体溶液为浸渍液，采用PIP工艺进行SiC基体致密化。
④进行8个循环PIP工艺致密化，获得C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料。
本实施例制备的C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料的密度为2.87g/cm3，室温弯曲强度为156MPa。1800℃氧乙炔烧蚀试验的质量烧蚀率为0.1×10-4g/(cm2·s)。
实施例6
①制备碳布叠层缝合结构的加粉碳纤维预制体，制备方式为一层碳布+一层ZrC粉体交替叠加铺层，然后通过缝合的方式形成具有缝合结构的加粉碳纤维预制体；其中，预制体内碳布含有的纤维与预制体内ZrC粉体的质量比为1:0.1。
②采用化学气相沉积工艺在所述加粉碳纤维预制体的表面制备C界面层，制得低密度C/C复合材料，沉碳的密度增量为0.1g/cm3。
③以聚碳硅烷前驱体溶液为浸渍液，采用PIP工艺进行SiC基体致密化。
④进行8个循环PIP工艺致密化，获得C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料。
本实施例制备的C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料的密度为1.89g/cm3，室温弯曲强度为338MPa。1800℃氧乙炔烧蚀试验的质量烧蚀率为25.2×10-4g/(cm2·s)。
实施例7
①制备碳布叠层缝合结构的加粉碳纤维预制体，制备方式为一层碳布+一层ZrC粉体交替叠加铺层，然后通过缝合的方式形成具有缝合结构的加粉碳纤维预制体；其中，预制体内碳布含有的纤维与预制体内ZrC粉体的质量比为1:2.5。
②采用化学气相沉积工艺在所述加粉碳纤维预制体的表面制备C界面层，制得低密度C/C复合材料，沉碳的密度增量为0.1g/cm3。
③以聚碳硅烷前驱体溶液为浸渍液，采用PIP工艺进行SiC基体致密化。
④进行8个循环PIP工艺致密化，获得C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料。
本实施例制备的C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料的密度为2.98g/cm3，室温弯曲强度为104MPa。1800℃氧乙炔烧蚀试验的质量烧蚀率为0.1×10-4g/(cm2·s)。
对比例1
①配制浆料：采用钡酚醛树脂，与超高温陶瓷粉体ZrC粉体共混制备酚醛树脂浆料，超高温陶瓷粉体ZrC粉体占酚醛树脂浆料的质量百分比为20％。
②制备预浸料：采用酚醛树脂类浆料，采用热熔胶膜法，与碳布复合制备超高温陶瓷粉体预浸料，其中的酚醛树脂浆料的质量含量为60％。
③制备低密度碳/碳坯体：采用模压工艺进行制备，通过铺层数控制平板纤维体积分数为40％，加压温度控制为120℃，固化温度为180℃，保温时间为4h。
将模压平板进行热裂解，热裂解在氮气气氛下进行，升温速率为0.5℃/min，热裂解处理温度为800℃。
④制备防硅化界面层：采用化学气相渗透法制备防硅化界面层，沉积温度为1000℃，气体流量丙烷：氩气＝1:1，炉压控制为5kPa，每次沉积时间控制在20h。
⑤制备低密度碳/碳基体：采用PIP工艺制备低密度碳/碳基体，PIP工艺包括真空浸渍、压力浸渍、压力固化和常压裂解。进行真空浸渍和压力浸渍时，浸渍胶液选用糠酮树脂溶液。对于各个步骤的工艺条件，真空浸渍2小时，压力浸渍2小时，压力条件为25MPa，压力固化在22MPa下进行24h，常压裂解在1000℃下进行1h。所述PIP工艺的重复次数为2次。
⑥熔融渗硅：将低密度碳/碳基体置于石墨坩埚中，采用99.9％的Si粉覆盖，硅粉与碳/碳基体的质量比为2，将石墨坩埚置于高温炉中，升温至1550℃，保温1h，获得超高温陶瓷基复合材料。
本对比例制备的超高温陶瓷基复合材料室温弯曲强度为240MPa，1800℃氧乙炔烧蚀试验的质量烧蚀率为8.5×10-4g/(cm2·s)。
表1：实施例1～7以及对比例1制得的超高温陶瓷基复合材料的性能指标。
Figure BDA0002767283870000111
Figure BDA0002767283870000121
表1中符号“—”表示未对该性能指标进行测试。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)提供n份碳布和n-1份ZrC粉体，以每铺一层碳布层后在所述碳布层上铺设一层ZrC粉体层的方式，制备由碳布层和ZrC粉体层交替叠加铺层而成的加粉碳纤维预制体；
(2)在所述加粉碳纤维预制体的表面制备C界面层，得到低密度C/C复合材料；
(3)以聚碳硅烷前驱体溶液作为浸渍液通过PIP工艺对所述低密度C/C复合材料进行SiC基体致密化；
(4)重复步骤(3)多次，制得C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，在所述碳布层上铺设所述ZrC粉体层的方式为：
采用乙醇和/或水将ZrC粉体分散均匀，得到ZrC粉体分散液，然后将所述ZrC粉体分散液均匀喷洒在碳布层的表面从而在所述碳布层的表面铺层得到所述ZrC粉体层。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
所述碳布层的层数和所述ZrC粉体层的层数之和为N，N为大于或者等于3的奇数。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
所述加粉碳纤维预制体为针刺结构的加粉碳纤维预制体或缝合结构的加粉碳纤维预制体。
5.根据权利要求1至4任一项所述的制备方法，其特征在于：
在所述加粉碳纤维预制体中，所述碳布层中含有的纤维与所述ZrC粉体层中含有的ZrC粉体的质量比为1：(0.2～2)。
6.根据权利要求1至4任一项所述的制备方法，其特征在于：
在步骤(2)中，通过化学气相沉积工艺在所述加粉碳纤维预制体的表面制备C界面层，得到低密度C/C复合材料。
7.根据权利要求1至4任一项所述的制备方法，其特征在于：
所述ZrC粉体的粒径为0.2～1.0μm；和/或
所述聚碳硅烷前驱体溶液为聚碳硅烷前驱体的二甲苯溶液。
8.根据权利要求1至4任一项所述的制备方法，其特征在于：
步骤(3)重复的次数为6～10次。
9.根据权利要求1至4任一项所述的制备方法，其特征在于：
所述C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料的密度不低于2.0g/cm3，室温弯曲强度不低于200MPa。
10.由权利要求1至9中任一项所述的制备方法制得的C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料。
CN202011237631.7A 2020-11-09 2020-11-09 一种C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料及其制备方法 Active CN112341228B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011237631.7A CN112341228B (zh) 2020-11-09 2020-11-09 一种C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011237631.7A CN112341228B (zh) 2020-11-09 2020-11-09 一种C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112341228A true CN112341228A (zh) 2021-02-09
CN112341228B CN112341228B (zh) 2022-09-23

Family

ID=74429679

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011237631.7A Active CN112341228B (zh) 2020-11-09 2020-11-09 一种C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112341228B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113698774A (zh) * 2021-08-27 2021-11-26 北京理工大学 一种聚碳硅烷共混树脂热熔预浸料的制备方法
CN113788708A (zh) * 2021-10-09 2021-12-14 航天特种材料及工艺技术研究所 一种耐烧蚀陶瓷基复合材料及其制备方法
CN114621020A (zh) * 2022-05-16 2022-06-14 浙江德鸿碳纤维复合材料有限公司 一种碳陶复合结构及其制备方法
CN114773077A (zh) * 2022-05-27 2022-07-22 沈阳科斯莫科技有限公司 一种复合碳化硅纤维硬质毡及其制备方法和应用
CN115353324A (zh) * 2022-08-30 2022-11-18 航天特种材料及工艺技术研究所 一种高导热耐烧蚀复合材料及其制备方法
CN115784758A (zh) * 2022-11-24 2023-03-14 航天特种材料及工艺技术研究所 一种多元固溶体改性碳纤维增韧陶瓷基复合材料及其制备方法

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0502565A1 (en) * 1991-03-06 1992-09-09 Ohwada Carbon Industrial Co., Ltd. Carbon composite material reinforced with carbon fiber and inorganic fiber
US20090264273A1 (en) * 2005-01-24 2009-10-22 Riedell James A Ceramic material suitable for repair of a space vehicle component in a microgravity and vacuum environment, method of making same, and method of repairing a space vehicle component
US20100179045A1 (en) * 2009-01-12 2010-07-15 Goodrich Corporation Methods and apparatus relating to a composite material
CN101875562A (zh) * 2010-01-21 2010-11-03 中南大学 一种炭纤维增强炭和六方氮化硼双基体摩擦材料的制备方法
CN102992799A (zh) * 2012-08-17 2013-03-27 江苏天鸟高新技术股份有限公司 碳纤维网胎复合陶瓷粉三维细编预制体的制备方法
CN103058711A (zh) * 2012-12-14 2013-04-24 西北工业大学 一种通过超高温陶瓷粉基体改性制备超高温陶瓷基复合材料的方法
CN103288468A (zh) * 2013-05-14 2013-09-11 大连理工大学 一种纤维增强碳-碳化硅-碳化锆基复合材料的制备方法
CN106083114A (zh) * 2016-06-03 2016-11-09 苏州赛力菲陶纤有限公司 一种C/C‑ZrC‑SiC陶瓷基复合材料刹车盘及其制备方法
CN108218455A (zh) * 2018-01-12 2018-06-29 哈尔滨工业大学 超高温陶瓷组分高含量均匀引入三维碳纤维编织体的方法
CN108395266A (zh) * 2018-03-28 2018-08-14 中国航发北京航空材料研究院 一种纤维增强复相陶瓷基复合材料的制备方法
CN109293383A (zh) * 2018-10-31 2019-02-01 航天特种材料及工艺技术研究所 一种纤维增强碳-碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法
CN110563479A (zh) * 2019-10-25 2019-12-13 航天特种材料及工艺技术研究所 一种超高温陶瓷基复合材料及其制备方法
CN110776320A (zh) * 2019-10-12 2020-02-11 航天材料及工艺研究所 一种C/SiC-ZrC复相陶瓷基复合材料及其制备方法
CN111099911A (zh) * 2020-01-02 2020-05-05 航天特种材料及工艺技术研究所 一种碳纤维增强碳-碳化硅-碳化锆复合材料及其制备方法

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0502565A1 (en) * 1991-03-06 1992-09-09 Ohwada Carbon Industrial Co., Ltd. Carbon composite material reinforced with carbon fiber and inorganic fiber
US20090264273A1 (en) * 2005-01-24 2009-10-22 Riedell James A Ceramic material suitable for repair of a space vehicle component in a microgravity and vacuum environment, method of making same, and method of repairing a space vehicle component
US20100179045A1 (en) * 2009-01-12 2010-07-15 Goodrich Corporation Methods and apparatus relating to a composite material
CN101875562A (zh) * 2010-01-21 2010-11-03 中南大学 一种炭纤维增强炭和六方氮化硼双基体摩擦材料的制备方法
CN102992799A (zh) * 2012-08-17 2013-03-27 江苏天鸟高新技术股份有限公司 碳纤维网胎复合陶瓷粉三维细编预制体的制备方法
CN103058711A (zh) * 2012-12-14 2013-04-24 西北工业大学 一种通过超高温陶瓷粉基体改性制备超高温陶瓷基复合材料的方法
CN103288468A (zh) * 2013-05-14 2013-09-11 大连理工大学 一种纤维增强碳-碳化硅-碳化锆基复合材料的制备方法
CN106083114A (zh) * 2016-06-03 2016-11-09 苏州赛力菲陶纤有限公司 一种C/C‑ZrC‑SiC陶瓷基复合材料刹车盘及其制备方法
CN108218455A (zh) * 2018-01-12 2018-06-29 哈尔滨工业大学 超高温陶瓷组分高含量均匀引入三维碳纤维编织体的方法
CN108395266A (zh) * 2018-03-28 2018-08-14 中国航发北京航空材料研究院 一种纤维增强复相陶瓷基复合材料的制备方法
CN109293383A (zh) * 2018-10-31 2019-02-01 航天特种材料及工艺技术研究所 一种纤维增强碳-碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法
CN110776320A (zh) * 2019-10-12 2020-02-11 航天材料及工艺研究所 一种C/SiC-ZrC复相陶瓷基复合材料及其制备方法
CN110563479A (zh) * 2019-10-25 2019-12-13 航天特种材料及工艺技术研究所 一种超高温陶瓷基复合材料及其制备方法
CN111099911A (zh) * 2020-01-02 2020-05-05 航天特种材料及工艺技术研究所 一种碳纤维增强碳-碳化硅-碳化锆复合材料及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JUNPENG LIU: "A novel coating method to fabricate ZrC reinforced metal matrix composite cladding", 《SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY》 *
代吉祥: "C/C-SiC-ZrC 复合材料的制备及其力学性能", 《稀有金属材料与工程》 *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113698774A (zh) * 2021-08-27 2021-11-26 北京理工大学 一种聚碳硅烷共混树脂热熔预浸料的制备方法
CN113698774B (zh) * 2021-08-27 2022-06-21 北京理工大学 一种聚碳硅烷共混树脂热熔预浸料的制备方法
CN113788708A (zh) * 2021-10-09 2021-12-14 航天特种材料及工艺技术研究所 一种耐烧蚀陶瓷基复合材料及其制备方法
CN113788708B (zh) * 2021-10-09 2022-09-09 航天特种材料及工艺技术研究所 一种耐烧蚀陶瓷基复合材料及其制备方法
CN114621020A (zh) * 2022-05-16 2022-06-14 浙江德鸿碳纤维复合材料有限公司 一种碳陶复合结构及其制备方法
CN114621020B (zh) * 2022-05-16 2022-10-14 浙江德鸿碳纤维复合材料有限公司 一种碳陶复合结构及其制备方法
CN114773077A (zh) * 2022-05-27 2022-07-22 沈阳科斯莫科技有限公司 一种复合碳化硅纤维硬质毡及其制备方法和应用
CN115353324A (zh) * 2022-08-30 2022-11-18 航天特种材料及工艺技术研究所 一种高导热耐烧蚀复合材料及其制备方法
CN115784758A (zh) * 2022-11-24 2023-03-14 航天特种材料及工艺技术研究所 一种多元固溶体改性碳纤维增韧陶瓷基复合材料及其制备方法
CN115784758B (zh) * 2022-11-24 2024-01-16 航天特种材料及工艺技术研究所 一种多元固溶体改性碳纤维增韧陶瓷基复合材料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112341228B (zh) 2022-09-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112341228B (zh) 一种C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料及其制备方法
CN112341229B (zh) 一种梯度C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料及其制备方法
US6773528B2 (en) Process for producing fiber-reinforced-silicon carbide composites
CN111099911B (zh) 一种碳纤维增强碳-碳化硅-碳化锆复合材料及其制备方法
JP2007535461A (ja) 炭素繊維強化のセラミックの複合体の製造方法
JP6764317B2 (ja) 表面層付き成形断熱材及びその製造方法
CN114044679A (zh) 一种高强韧超高温陶瓷基复合材料及其制备方法
CN107226706A (zh) 具有单峰孔径分布和低纤维体积分数的陶瓷基质复合物
JP2006290670A (ja) 繊維強化炭化ケイ素複合材料及びその製造方法
CN110627514A (zh) 一种C/SiC-HfB2复合材料及其制备方法
JP5944618B2 (ja) 炭素繊維複合材、及びこの炭素繊維複合材を用いたブレーキ用部材、半導体用構造部材、耐熱性パネル、ヒートシンク
JP2015174807A (ja) 炭素繊維系断熱材及びその製造方法
CN110642634A (zh) 一种C/SiC-ZrB2复合材料及其制备方法
CN114716258B (zh) 一种碳纤维增强碳化硼复合材料的制备方法
JP2018024174A (ja) 成形断熱材及びその製造方法
CN113121253B (zh) 一种超高温C/SiHfBCN陶瓷基复合材料及其制备方法
CN114853478A (zh) 一种梯度陶瓷基复合材料及其制备方法
CN115716760B (zh) 一种C/SiC-HfC陶瓷基复合材料及其制备方法
JP2571251B2 (ja) 摩擦材用炭素繊維強化炭素複合材料
KR20190003901A (ko) 금속탄화물 필러 함유 섬유강화 세라믹 복합소재 제조방법
CN113248273A (zh) 一种陶瓷基复合标签材料及其制备方法
CN110981490A (zh) CNT增韧B4C-SiC层状复合陶瓷及其制备方法
KR102191680B1 (ko) 용융 함침법을 이용한 탄소복합재 제조방법
CN111499401B (zh) 一种高导热C/SiC复合材料及其制备方法
JP3140701B2 (ja) 長繊維強化炭化ケイ素複合材料の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant