CN115784758B - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115784758B CN115784758B CN202211484499.9A CN202211484499A CN115784758B CN 115784758 B CN115784758 B CN 115784758B CN 202211484499 A CN202211484499 A CN 202211484499A CN 115784758 B CN115784758 B CN 115784758B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- carbon fiber
- powder
- ceramic matrix
- solid solution
- matrix composite
- 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.)
- Active
Links
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical class C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 71
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 title claims abstract description 37
- 239000011153 ceramic matrix composite Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 28
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 59
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims abstract description 49
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims abstract description 49
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 41
- 229920003257 polycarbosilane Polymers 0.000 claims abstract description 28
- BTBUEUYNUDRHOZ-UHFFFAOYSA-N Borate Chemical compound [O-]B([O-])[O-] BTBUEUYNUDRHOZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 claims abstract description 24
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 22
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 claims abstract description 21
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000009941 weaving Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000005336 cracking Methods 0.000 claims description 20
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 20
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 12
- -1 boric acid ester Chemical class 0.000 claims description 7
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000004327 boric acid Substances 0.000 claims description 6
- CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N O-Xylene Chemical compound CC1=CC=CC=C1C CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- YRKCREAYFQTBPV-UHFFFAOYSA-N acetylacetone Chemical compound CC(=O)CC(C)=O YRKCREAYFQTBPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 150000004703 alkoxides Chemical class 0.000 claims description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 4
- KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N boric acid Chemical compound OB(O)O KGBXLFKZBHKPEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910001510 metal chloride Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims 7
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 claims 2
- 239000011825 aerospace material Substances 0.000 abstract description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 24
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 23
- 238000003776 cleavage reaction Methods 0.000 description 17
- 230000007017 scission Effects 0.000 description 17
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 13
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 9
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 6
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 6
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 4
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000011204 carbon fibre-reinforced silicon carbide Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011215 ultra-high-temperature ceramic Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T50/00—Aeronautics or air transport
- Y02T50/40—Weight reduction
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
本发明提供了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，应用于航空航天材料技术领域。该制备方法包括：对(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C前驱体的高温裂解后的产物进行研磨，得到一定粒径的(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体；将碳纤维布和(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体交替铺层编织碳纤维预制体；随后利用硼酸酯改性的聚碳硅烷前驱体对碳纤维预制体进行真空浸渍和压力浸渍，接着通过固化、高温裂解制备多元固溶体(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体与SiC协同改性的陶瓷基体，实现多元固溶体与碳化硅协同改性碳纤维增韧陶瓷基复合材料的制备。本发明制备的多元固溶体与碳化硅协同改性碳纤维增韧陶瓷基复合材料具有良好的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天材料技术领域，具体涉及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。
背景技术
航空航天飞行器的结构件对陶瓷基复合材料的耐高温性能和力学性能要求都比较高，传统的C/SiC复合材料或单一的HfC、TaC等高熔点超高温陶瓷均难以满足要求。多元固溶体具备高熔点、高比强、高比模以及低热膨胀系数等优异性能，使用多元固溶体和碳化硅对碳纤维增韧陶瓷基复合材料进行协同改性，有望满足航空航天飞行器结构件对高力学性能陶瓷基复合材料的需求。
然而，目前多元固溶体及其复合材料的现有的制备方法制备温度过高，容易损伤碳纤维，严重限制其宏观力学性能的提升，且难以实现对现有陶瓷基复合材料的改性，故目前亟需发展一种多元固溶体改性碳纤维增韧陶瓷基复合材料的制备方法。
发明内容
本发明提供了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。
本发明提供的一种多元固溶体改性碳纤维增韧陶瓷基复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
对(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C前驱体的高温裂解后的产物进行研磨，得到一定粒径的(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体；
将碳纤维布和(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体进行交替铺层，编织碳纤维预制体；
利用硼酸酯改性的聚碳硅烷前驱体溶液对碳纤维预制体进行真空浸渍和压力浸渍；
对浸渍后的陶瓷基复合材料进行固化、高温裂解，制备多元固溶体(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体与SiC协同改性的陶瓷基体，实现多元固溶体与碳化硅协同改性碳纤维增韧陶瓷基复合材料的制备。
优选地，对(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C前驱体进行高温裂解，得到(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体，裂解温度为1000～1800℃，裂解时间为0.5～5h，真空度为1～1000Pa，粉体粒径为200nm～1μm。
优选地，在(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体和碳纤维布铺层过程中，控制碳纤维和(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体的质量比为1:0.5～1:1.5。
优选地，硼酸酯改性的聚碳硅烷前驱体溶液中，硼酸酯与聚碳硅烷前驱体的质量比为0.3～0.6:1。
优选地，使用硼酸酯改性的聚碳硅烷前驱体溶液对陶瓷基复合材料进行真空浸渍，浸渍时间为0.5-5h，真空度为1-5000Pa。
优选地，使用硼酸酯改性的聚碳硅烷前驱体溶液对陶瓷基复合材料进行压力浸渍，浸渍时间为0.5-5h，压力为0.5-5MPa。
优选地，使用硼酸酯改性的聚碳硅烷前驱体溶液对陶瓷基复合材料进行浸渍后，对陶瓷基复合材料进行固化和高温裂解，固化压力为0.5-5MPa，固化温度为100-350℃，裂解温度为1000-1600℃，裂解时间为0.5-5h。
本发明还提供一种采用上述方法制备的多元固溶体改性碳纤维增韧陶瓷基复合材料。
本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：
(1)本发明在碳纤维布铺层过程中将(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体引入到碳纤维预制体中，实现了陶瓷基复合材料基体的多元固溶体改性；本发明是在碳纤维预制体制备中直接引入高熵陶瓷粉体，快速提高复合材料中高熵陶瓷的含量。
(2)本发明利用硼酸酯改性的聚碳硅烷前驱体溶液制备硼改性的碳化硅基体，与(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C共同组成复合材料的基体，有效提升陶瓷基复合材料的力学性能和抗氧化性能。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中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。
本发明提供了一种多元固溶体改性碳纤维增韧陶瓷基复合材料的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
对(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C前驱体的高温裂解后的产物进行研磨，得到一定粒径的(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体。
其中，(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C前驱体是由Zr、Hf、Nb、Ta的金属醇盐、乙酰丙酮、烯丙基硼酚醛配制而成，例如按1:1:1:1:4:5的摩尔比配制而成。所选的金属醇盐为C3～C5的醇与相应金属氯化物缩合而成。
其中，裂解温度为1000～1800℃(例如可以为1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃、1500℃、1600℃、1700℃或1800℃)，裂解时间为0.5～5h(例如可以为0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h或5h)，真空度为1～1000Pa(例如可以为1Pa、200Pa、400Pa、600Pa、800Pa或1000Pa)，粉体粒径为200nm～1μm(例如可以为200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1000nm)。
将碳布(碳纤维布)和(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体交替铺层，编织碳纤维预制体。
其中，碳纤维和(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体的质量比为1:0.5～1:1.5(例如可以为1:0.5、1:0.6、1:0.7、1:0.8、1:0.9、1:1.0、1:1.1、1:1.2、1:1.3、1:1.4、或1:1.5)。
利用硼酸酯改性的聚碳硅烷前驱体对材料进行真空浸渍和压力浸渍，接着通过固化、裂解制备多元固溶体(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体与SiC协同改性的陶瓷基体，实现多元固溶体与碳化硅协同改性碳纤维增韧陶瓷基复合材料的制备。
其中，硼酸酯改性的聚碳硅烷前驱体的制备方法是：将硼酸与丙三醇反应生成硼酸酯，随后将硼酸酯、聚碳硅烷溶液、二甲苯以质量比0.5:1:1混合并搅拌均匀。
其中，硼酸酯与聚碳硅烷前驱体的质量比为0.3～0.6:1(例如可以为0.3:1、0.35:1、0.4:1、0.45:1、0.5:1、0.55:1或0.6:1)；真空浸渍时间为0.5-5h(例如可以为0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h或5h)，真空度为1-5000Pa(例如可以为1Pa、500Pa、1000Pa、2000Pa、3000Pa、4000Pa或5000Pa)；压力浸渍时间为0.5-5h(例如可以为0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h或5h)，压力为0.5-5MPa(例如可以为0.5MPa、1MPa、1.5MPa、2MPa、2.5MPa、3MPa、3.5MPa、4MPa、4.5MPa或5MPa)；固化压力为0.5-5MPa(例如可以为0.5MPa、1MPa、1.5MPa、2MPa、2.5MPa、3MPa、3.5MPa、4MPa、4.5MPa或5MPa)，固化温度为100-350℃(例如可以为100℃、150℃、200℃、250℃、300℃或350℃)；裂解温度为1000-1600℃(例如可以为1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃、1500℃或1600℃)，裂解时间为0.5-5h(例如可以为0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h或5h)。
下面结合具体的实施例进一步阐述本发明。但是，应该明白，这些实施例仅用于说明本发明而不构成对本发明范围的限制。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
(1)(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体制备：对(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C前驱体进行1300℃高温裂解2h。裂解过程中，真空度控制在200Pa。对裂解产物进行研磨，得到粒径为200nm的(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体。
(2)(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体铺层：在碳纤维预制体铺层过程中，将粒径为200nm的(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体和碳布交替铺层，控制碳纤维和(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体的质量比为1:1.0。
(3)基体致密化：将得到的多元固溶体预填充的碳纤维预制体浸渍于硼酸酯改性的聚碳硅烷前驱体溶液中(硼酸酯与聚碳硅烷前驱体的质量比为0.35:1)，先后经过真空浸渍(真空浸渍时间为2.0h、真空度为1000Pa)、压力浸渍(压力浸渍时间为2.0h、压力为2.5MPa)，浸渍之后先后进行固化(固化压力为2.5MPa，固化温度为300℃)和高温裂解(裂解温度为1000℃，裂解时间为3h)，将SiC基体填充进入碳纤维预制体中，最终实现多元固溶体与碳化硅协同改性碳纤维增韧陶瓷基复合材料的制备。
(4)性能测试：将该种复合材料加工成室温弯曲样条，室温弯曲强度为389MPa，室温弯曲模量为101GPa。
实施例2
(1)(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体制备：对(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C前驱体进行1400℃高温裂解2h。裂解过程中，真空度控制在400Pa。对裂解产物进行研磨，得到粒径为500nm的(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体。
(2)(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体铺层：在碳纤维预制体铺层过程中，将粒径为500nm的(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体和碳布交替铺层，控制碳纤维和(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体的质量比为1:1.2。
(3)基体致密化：将得到的多元固溶体预填充的碳纤维预制体浸渍于硼酸酯改性的聚碳硅烷前驱体溶液中(硼酸酯与聚碳硅烷前驱体的质量比为0.4:1)，先后经过真空浸渍(真空浸渍时间为2.5h、真空度为500Pa)、压力浸渍(压力浸渍时间为2.5h、压力为3MPa)，浸渍之后先后进行固化(固化压力为2MPa，固化温度为300℃)和高温裂解(裂解温度为1100℃，裂解时间为2h)，将SiC基体填充进入碳纤维预制体中，最终实现多元固溶体与碳化硅协同改性碳纤维增韧陶瓷基复合材料的制备。
(4)性能测试：将该种复合材料加工成室温弯曲样条，室温弯曲强度为374MPa，室温弯曲模量为112GPa。
实施例3
(1)(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体制备：对(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C前驱体进行1500℃高温裂解3h。裂解过程中，真空度控制在600Pa。对裂解产物进行研磨，得到粒径为600nm的(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体。
(2)(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体铺层：在碳纤维预制体铺层过程中，将粒径为600nm的(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体和碳布交替铺层，控制碳纤维和(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体的质量比为1:0.9。
(3)基体致密化：将得到的多元固溶体预填充的碳纤维预制体浸渍于硼酸酯改性的聚碳硅烷前驱体溶液中(硼酸酯与聚碳硅烷前驱体的质量比为0.55:1)，先后经过真空浸渍(真空浸渍时间为3.5h、真空度为2000Pa)、压力浸渍(压力浸渍时间为2.5h、压力为3MPa)，浸渍之后先后进行固化(固化压力为2MPa，固化温度为350℃)和高温裂解(裂解温度为1200℃，裂解时间为4h)，将SiC基体填充进入碳纤维预制体中，最终实现多元固溶体与碳化硅协同改性碳纤维增韧陶瓷基复合材料的制备。
(4)性能测试：将该种复合材料加工成室温弯曲样条，室温弯曲强度为353MPa，室温弯曲模量为106GPa。
实施例4
(1)(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体制备：对(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C前驱体进行1000℃高温裂解0.5h。裂解过程中，真空度控制在1Pa。对裂解产物进行研磨，得到粒径为300nm的(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体。
(2)(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体铺层：在碳纤维预制体铺层过程中，将粒径为300nm的(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体和碳布交替铺层，控制碳纤维和(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体的质量比为1:0.5。
(3)基体致密化：将得到的多元固溶体预填充的碳纤维预制体浸渍于硼酸酯改性的聚碳硅烷前驱体溶液中(硼酸酯与聚碳硅烷前驱体的质量比为0.3:1)，先后经过真空浸渍(真空浸渍时间为0.5h、真空度为1Pa)、压力浸渍(压力浸渍时间为0.5h、压力为0.5MPa)，浸渍之后先后进行固化(固化压力为0.5MPa，固化温度为100℃)和高温裂解(裂解温度为1000℃，裂解时间为0.5h)，将SiC基体填充进入碳纤维预制体中，最终实现多元固溶体与碳化硅协同改性碳纤维增韧陶瓷基复合材料的制备。
(4)性能测试：将该种复合材料加工成室温弯曲样条，室温弯曲强度为336MPa，室温弯曲模量为98GPa。
实施例5
(1)(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体制备：对(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C前驱体进行1800℃高温裂解5h。裂解过程中，真空度控制在1000Pa。对裂解产物进行研磨，得到粒径为1μm的(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体。
(2)(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体铺层：在碳纤维预制体铺层过程中，将粒径为1μm的(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体和碳布交替铺层，控制碳纤维和(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体的质量比为1:1.5。
(3)基体致密化：将得到的多元固溶体预填充的碳纤维预制体浸渍于硼酸酯改性的聚碳硅烷前驱体溶液中(硼酸酯与聚碳硅烷前驱体的质量比为0.6:1)，先后经过真空浸渍(真空浸渍时间为5.0h、真空度为5000Pa)、压力浸渍(压力浸渍时间为5.0h、压力为5MPa)，浸渍之后先后进行固化(固化压力为5MPa，固化温度为350℃)和高温裂解(裂解温度为1600℃，裂解时间为5h)，将SiC基体填充进入碳纤维预制体中，最终实现多元固溶体与碳化硅协同改性碳纤维增韧陶瓷基复合材料的制备。
(4)性能测试：将该种复合材料加工成室温弯曲样条，室温弯曲强度为361MPa，室温弯曲模量为102GPa。
对比例1
(1)对未进行多元固溶体预填充的碳纤维预制体直接进行基体致密化：将复合材料浸渍于硼酸酯改性的聚碳硅烷前驱体溶液中(硼酸酯与聚碳硅烷前驱体的质量比为0.55:1)，先后经过真空浸渍(真空浸渍时间为3.5h、真空度为2000Pa)、压力浸渍(压力浸渍时间为2.5h、压力为3MPa)，浸渍之后先后进行固化(固化压力为2MPa，固化温度为350℃)和高温裂解(裂解温度为1200℃)，将SiC基体填充进入碳纤维预制体中。
(2)力学性能测试：将该种复合材料加工成室温弯曲样条，室温弯曲强度为261MPa，室温弯曲模量为45.6GPa。
对比例2
(1)(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体制备：对(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C前驱体进行1500℃高温裂解3h。裂解过程中，真空度控制在600Pa。对裂解产物进行研磨，得到粒径为600nm的(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体。
(2)(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体铺层：在碳纤维预制体铺层过程中，将粒径为600nm的(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体和碳布交替铺层，控制碳纤维和(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体的质量比为1:0.9。
(2)力学性能测试：将该种复合材料加工成室温弯曲样条，室温弯曲强度为152MPa，室温弯曲模量为23.2GPa。
对比例3
(1)(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体制备：对(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C前驱体进行1500℃高温裂解3h。裂解过程中，真空度控制在600Pa。对裂解产物进行研磨，得到粒径为600nm的(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体。
(2)(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体铺层：在碳纤维预制体铺层过程中，将粒径为600nm的(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体和碳布交替铺层，控制碳纤维和(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体的质量比为1:0.9。
(3)基体致密化：将得到的多元固溶体预填充的碳纤维预制体浸渍于聚碳硅烷前驱体溶液中，先后经过真空浸渍(真空浸渍时间为3.5h、真空度为2000Pa)、压力浸渍(压力浸渍时间为2.5h、压力为3MPa)，浸渍之后先后进行固化(固化压力为2MPa，固化温度为350℃)和高温裂解(裂解温度为1200℃)，将SiC基体填充进入碳纤维预制体中，最终实现多元固溶体与碳化硅协同改性碳纤维增韧陶瓷基复合材料的制备。
(4)性能测试：将该种复合材料加工成室温弯曲样条，室温弯曲强度为302MPa，室温弯曲模量为84.3GPa。
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。本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
Claims (9)
1.一种多元固溶体改性碳纤维增韧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：
对(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C前驱体的高温裂解后的产物进行研磨，得到一定粒径的(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体；
将碳纤维布和(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体进行交替铺层，编织碳纤维预制体，在碳纤维预制体制备中直接引入高熵陶瓷粉体；
利用硼酸酯改性的聚碳硅烷前驱体溶液对碳纤维预制体进行真空浸渍和压力浸渍；所述硼酸酯改性的聚碳硅烷前驱体的制备方法是：将硼酸与丙三醇反应生成硼酸酯，随后将硼酸酯、聚碳硅烷溶液、二甲苯以质量比0.5:1:1混合并搅拌均匀；
对浸渍后的陶瓷基复合材料进行固化、高温裂解，制备多元固溶体(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体与硼改性的SiC协同改性的陶瓷基体，实现多元固溶体与碳化硅协同改性碳纤维增韧陶瓷基复合材料的制备。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述高温裂解是将(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C前驱体在真空环境下裂解一定时间得到(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体，粉体粒径为200nm～1μm，裂解温度为1000～1800℃，裂解时间为0.5～5h，真空度为1～1000Pa。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体和碳纤维布的铺层过程中，控制碳纤维和(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C粉体的质量比为1:0.5～1:1.5。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述真空浸渍的浸渍时间为0.5-5h，真空度为1-5000Pa。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述压力浸渍的浸渍时间为0.5-5h，压力为0.5-4MPa。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述对浸渍后的陶瓷基复合材料进行固化、高温裂解，固化压力为0.5-5MPa，固化温度为100-350℃。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述对浸渍后的陶瓷基复合材料进行固化、高温裂解，裂解温度为1000-1600℃，裂解时间为0.5-5h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述(Zr0.25Hf0.25Nb0.25Ta0.25)C前驱体是由Zr、Hf、Nb、Ta的金属醇盐、乙酰丙酮、烯丙基硼酚醛配制而成，所述金属醇盐为C3～C5的醇与相应金属氯化物缩合而成。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的方法制备的多元固溶体改性碳纤维增韧陶瓷基复合材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211484499.9A CN115784758B (zh) | 2022-11-24 | 2022-11-24 | 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 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211484499.9A CN115784758B (zh) | 2022-11-24 | 2022-11-24 | 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 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115784758A CN115784758A (zh) | 2023-03-14 |
| CN115784758B true CN115784758B (zh) | 2024-01-16 |
Family
ID=85441144
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211484499.9A Active CN115784758B (zh) | 2022-11-24 | 2022-11-24 | 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 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115784758B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115928264B (zh) * | 2022-11-29 | 2024-02-20 | 湖南泽睿新材料有限公司 | 一种含金属近化学计量比连续碳化硅纤维的制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110282992A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-09-27 | 济南大学 | 一种Cf/C-SiC-ZrC复合材料及其制备方法 |
| CN112341229A (zh) * | 2020-11-09 | 2021-02-09 | 航天特种材料及工艺技术研究所 | 一种梯度C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料及其制备方法 |
| CN112341228A (zh) * | 2020-11-09 | 2021-02-09 | 航天特种材料及工艺技术研究所 | 一种C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料及其制备方法 |
| CN115180983A (zh) * | 2022-08-01 | 2022-10-14 | 航天特种材料及工艺技术研究所 | 一种陶瓷基复合材料基体的高熵陶瓷改性方法和由此制得的高熵改性复合材料 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7245189B2 (ja) * | 2019-03-21 | 2023-03-23 | トヨタ モーター エンジニアリング アンド マニュファクチャリング ノース アメリカ，インコーポレイティド | 完全に侵入している補強部材を有する織物カーボン繊維強化鋼マトリックス複合体 |
-
2022
- 2022-11-24 CN CN202211484499.9A patent/CN115784758B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110282992A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-09-27 | 济南大学 | 一种Cf/C-SiC-ZrC复合材料及其制备方法 |
| CN112341229A (zh) * | 2020-11-09 | 2021-02-09 | 航天特种材料及工艺技术研究所 | 一种梯度C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料及其制备方法 |
| CN112341228A (zh) * | 2020-11-09 | 2021-02-09 | 航天特种材料及工艺技术研究所 | 一种C/ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料及其制备方法 |
| CN115180983A (zh) * | 2022-08-01 | 2022-10-14 | 航天特种材料及工艺技术研究所 | 一种陶瓷基复合材料基体的高熵陶瓷改性方法和由此制得的高熵改性复合材料 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 陶瓷基复合材料低成本技术研究进展;陆阳伟;胡海峰;张玉娣;王其坤;;材料导报(S2);199-202 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115784758A (zh) | 2023-03-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109721377B (zh) | 碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法 | |
| KR101568453B1 (ko) | 열구조적 복합재로 제조된 부품의 제조방법 | |
| CN102964114B (zh) | 一种利用陶瓷前驱体制备复相陶瓷材料的方法 | |
| CN106699209A (zh) | 连续氧化铝纤维增强氧化铝陶瓷基复合材料的制备方法 | |
| KR20100010023A (ko) | 열구조적 복합물 재료 부재의 제조 방법, 및 그에 의해 얻어지는 부재 | |
| CN111566072B (zh) | 用于制造含有陶瓷基质的复合部件的方法 | |
| CN115784758B (zh) | 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 | |
| CN102515870A (zh) | 一种C/SiC-ZrB2-ZrC超高温陶瓷基复合材料的制备方法 | |
| CN110317073A (zh) | 一种多级纤维协同增韧抗氧化陶瓷基复合材料的制备方法 | |
| EP0991610B1 (en) | Carbon composites | |
| CN102659441B (zh) | 复合结构预存应力筋增强陶瓷基复合材料及其制造方法 | |
| CN110078516A (zh) | 高体积分数短纤维增强准各向同性SiCf/SiC复合材料的制备方法 | |
| CN106747555B (zh) | 一种含自增韧基体、连续纤维增强的热结构复合材料及其制备方法 | |
| CN114907144B (zh) | 一种一步法制备SiC-C复合高温涂层的方法 | |
| CN110304932B (zh) | 一种具有HfB2界面的Cf/SiC复合材料的制备方法 | |
| KR100307509B1 (ko) | 세라믹 함유 탄소/탄소 복합재료 및 그의 제조 방법 | |
| CN114315394A (zh) | 利用Ti3SiC2三维网络多孔预制体增强SiC陶瓷基复合材料的制备方法 | |
| CN115784746B (zh) | 一种高熵陶瓷基复合材料及其制备方法 | |
| CN116217233A (zh) | 一种SiC晶须和高熵硼化物增硬增韧高熵碳化物的复相陶瓷及其制备方法和应用 | |
| CN114230347A (zh) | 连续纤维增强ZrC/SiC复合零件的制备方法及产品 | |
| CN114933480B (zh) | 一种具有伪塑性断裂的Csf/SiBCN复合材料的制备方法 | |
| CN106631059A (zh) | ZrC改性沥青基C/C复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN108083801B (zh) | 三维碳纤维预制件增强氧化钇-氧化锆复相陶瓷复合材料及其制备方法 | |
| CN111892405A (zh) | 一种无界面层工艺制备陶瓷基复合材料的制备方法 | |
| CN116135820B (zh) | 一种超高温陶瓷基复合材料及其制备方法 |
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 |