CN117164363B - 一种高温复合材料及其制备方法 - Google Patents
一种高温复合材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117164363B CN117164363B CN202311442927.6A CN202311442927A CN117164363B CN 117164363 B CN117164363 B CN 117164363B CN 202311442927 A CN202311442927 A CN 202311442927A CN 117164363 B CN117164363 B CN 117164363B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- green body
- carbide
- hafnium carbide
- composite material
- powder
- 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
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 87
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- WHJFNYXPKGDKBB-UHFFFAOYSA-N hafnium;methane Chemical compound C.[Hf] WHJFNYXPKGDKBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 83
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 80
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 46
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 46
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 29
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 28
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 25
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 23
- 238000002490 spark plasma sintering Methods 0.000 claims description 14
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 13
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 12
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 12
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 11
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 10
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- NFFIWVVINABMKP-UHFFFAOYSA-N methylidynetantalum Chemical compound [Ta]#C NFFIWVVINABMKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910003468 tantalcarbide Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 8
- KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 2-methoxy-6-methylphenol Chemical compound [CH]OC1=CC=CC([CH])=C1O KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000005011 phenolic resin Substances 0.000 claims description 6
- 229920001568 phenolic resin Polymers 0.000 claims description 6
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 5
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 5
- ATRRKUHOCOJYRX-UHFFFAOYSA-N Ammonium bicarbonate Chemical group [NH4+].OC([O-])=O ATRRKUHOCOJYRX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000001099 ammonium carbonate Substances 0.000 claims description 4
- 235000012501 ammonium carbonate Nutrition 0.000 claims description 4
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 claims description 3
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 9
- 230000035939 shock Effects 0.000 abstract description 8
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 abstract description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 17
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 15
- 239000011215 ultra-high-temperature ceramic Substances 0.000 description 12
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 9
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 8
- CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L Sodium Carbonate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 6
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 5
- 229910003902 SiCl 4 Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 4
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 3
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 3
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 3
- 229910000029 sodium carbonate Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 3
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 2
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 2
- 239000002585 base Substances 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 239000011362 coarse particle Substances 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
本发明公开了一种高温复合材料及其制备方法，高温复合材料包括基材和设置在基材表面的碳化铪/碳化钽‑碳化硅连续相复合涂层，制备方法包括：（1）将碳化铪粉料压制在基材表面得到生坯，将生坯进行烧结得到孔隙率为35%~45%的坯体；（2）对坯体进行化学气相共沉积，在坯体表面形成碳化铪/碳化钽‑碳化硅连续相复合涂层，即得高温复合材料。本发明制得的高温复合材料具有优异的高温综合性能，具有高杨氏模量、高导热率、低热膨胀系数以及较好的高温力学性能，且抗热震性好、抗侵蚀性能优异，是应用于航空航天、半导体等领域的理想结构材料。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷涂层领域，具体涉及一种高温力学性能、抗烧蚀性能、抗热震性能及抗侵蚀性能优异的复合碳基材料及其制备方法。
背景技术
超高温陶瓷主要包括难熔过渡金属的碳化物（TiC，HfC，TaC等）、氮化物（TiN，HfN等）和硼化物（TiB2，HfB2，TiB2等），它们都具有3000℃以上的高熔点，同时具有热导率高、机械性能优异等特点，因此在极端服役环境下的应用潜力巨大。但超高温陶瓷烧结困难，导致制备成本较高，并且陶瓷材料固有的脆性和抗热震性能差等缺点，使其在应用过程中受到极大的限制。在诸多超高温陶瓷中，得到广泛应用的超高温陶瓷材料主要为碳化物陶瓷。
目前，超高温陶瓷的主要制备方法包括反应烧结、重结晶法和前驱体转化等。其中，反应烧结工艺可以制备形状复杂的陶瓷部件，而且烧蚀温度较低，但是会出现反应原料的残余问题，比如单质Ti、Hf、Si等，因而高温性能不佳。重结晶工艺是将精细陶瓷粉体成型后，在高温下将陶瓷细分蒸发凝聚在粗颗粒形成烧结过程的方法，其主要优点是纯度高，可达99%以上，但是由于其所用原料为超高温陶瓷粉末和粘结剂，在烧结过程中超高温陶瓷粉末没有体积收缩，但由于粘结剂的挥发，会使超高温陶瓷产品具有一定程度的孔隙率，使其强度降低，限制了其在高温领域的应用。
发明内容
本发明提供了一种高温复合材料及其制备方法，用以解决目前现有超高温陶瓷涂层高温性能不佳、强度存在缺陷的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种高温复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将碳化铪粉料压制在基材表面得到生坯，将所述生坯进行烧结，得到坯体，所述坯体的孔隙率为35%~45%；所述碳化铪粉料包括碳化铪粉、造孔剂和成型剂，所述造孔剂为碳酸铵和聚甲基丙烯酸甲酯，其中，所述碳酸铵的添加量为碳化铪粉质量的3~5%，所述聚甲基丙烯酸甲酯的添加量为碳化铪粉质量的1~7%；
（2）对所述坯体进行化学气相共沉积，在坯体表面形成碳化铪/碳化钽-碳化硅连续相复合涂层，即得所述高温复合材料。
上述技术方案的设计思路在于，本方案先在基材表面制备碳化铪涂层坯体，然后再通过化学气相共沉积碳化硅和碳化钽，可在基材表面获得碳化铪/碳化钽-碳化硅单/复连续相复合涂层，由于碳化铪层中存在孔隙，且碳化蛤在高温下自愈合的优势，碳化钽-碳化硅共沉淀连续相可掺入其中，二者形成互穿网络结构，从而提高了复合材料强度、导热性和抗震性能，有效增加了产品的使用寿命。经发明人研究和试验发现，在上述方法中，坯体孔隙率的控制是至关重要的，如果孔隙率过小，将无法形成碳化硅、碳化钽共沉积连续相，降低了涂层和基材的机械稳定性，同时会影响复合材料在高温下的热稳定性能；而如果碳化铪坯体中的孔隙率太高，则掺入的共沉积连续相过多，碳化硅不易形成连续相，两者之间不能形成互穿网络结构，难以起到提高复合材料高温性能和力学性能的效果。
作为上述技术方案的进一步优选，步骤（1）中坯体的孔隙率为36%~43%。
作为上述技术方案的进一步优选，步骤（1）中采用放电等离子烧结工艺对所述生坯进行烧结，烧结温度为1500~2400℃，升温速率为5~150℃/min，保温时间为5~60min，烧结压力为20~60MPa，真空度小于5Pa，烧结完成后降温速率为5~150℃/min。上述放电等离子烧结工艺具有在加压过程中烧结的特点，脉冲电流产生的等离子体及烧结过程中的加压有利于降低粉末的烧结温度，同时低电压、高电流的特征，能使粉末快速烧结致密，因此可使碳化铪颗粒牢固地附着在基材表面，同时可控制碳化铪微粉晶粒尺寸，使得基材表面形成的碳化铪晶粒均匀、纯度高、颗粒细，因此具备优异的力学性能，同时还可提高生产效率。
作为上述技术方案的进一步优选，步骤（2）中，对所述坯体的化学气相共沉积工艺包括以下操作：将等温化学气相沉积CVD炉内温度升温至1300℃，然后以0.6g/min的送粉速率向沉积装置中输送TaCl5粉体，以0.6g/min的送粉速率向沉积装置中输送SiCl4粉体，以600ml/min的流量向沉积装置内通入氢气，以100ml/min的流量向沉积装置内通入甲烷，真空度为5kPa，沉积时间为60~120h，沉积完成后在氢气氛围内自然降温，即可在坯体表面形成碳化铪/碳化钽-碳化硅连续相复合涂层。上述化学气相共沉积工艺可以保证最终涂层的致密性以及碳化钽-碳化硅连续相的纯度。
作为上述技术方案的进一步优选，所述碳化铪粉由粒径分别为0.1~5um、5~20um、20~50um、50~80um和80~100um的五种碳化铪粉组成，所述五种碳化铪粉的质量比为：（20~30）：（10~20）：（10~20）：（20~30）：（20~30）。本优选方案采用了五种粒径的碳化铪粉组合，以获得最高的致密性，使最终成型的材料性能最优。对于重结晶碳化铪的成型来说，采用大小不一的粒径进行搭配，一方面可以利用大小粒径之间相互填充来提高致密性，这可以解决碳化铪颗粒硬度过高不利于压缩致密的弊端；另一方面多种小粒经的碳化铪粉可以不同程度的挥发凝聚，能够更好的粘结大颗粒的碳化铪，从而提高整体的致密度。经过试验，本发明的粒径组合可以达到较高的松装密度，进而提高碳基表面碳化铪涂层坯体的强度和结合力，增加抗热震性及产品寿命，为后续复合材料的优异性能奠定根基。
作为上述技术方案的进一步优选，步骤（2）中，对所述坯体进行化学气相共沉积前，将坯体置于500~800℃高温管式炉中，于真空条件下保温2~5h。该操作的主要目的在于使得杂质（低熔点造孔剂和成型剂等）完全挥发。
作为上述技术方案的进一步优选，所述成型剂包括酚醛树脂，所述酚醛树脂的添加量为碳化铪粉质量的0.5~2%。
基于同一技术构思，本发明还提供一种高温复合材料，该高温复合材料由上述制备方法制得，高温复合材料包括基材和设置在基材表面的复合涂层，所述复合涂层为碳化铪/碳化钽-碳化硅连续相复合涂层。
作为上述技术方案的进一步优选，所述复合涂层中碳化铪在的质量分数为50~60%；碳化硅的质量分数为15~30%；碳化钽的质量分数为15~30%。
作为上述技术方案的进一步优选，所述复合涂层的孔隙率小于等于3%，显孔隙率小于等于1%。
作为上述技术方案的进一步优选，所述复合涂层的密度为2.8~3.0g/cm3。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）本发明的高温复合材料的制备工艺创新性地向碳化铪层中引入孔隙结构，然后利用化学气相共沉积的方法引入碳化钽和碳化硅的复合陶瓷相，这不仅可以保证碳化钽和碳化铪超高温陶瓷相优异的耐高温性能，还可以充分利用碳化硅在高温下自愈合的优势；同时利用放电等离子体烧结的方法在基材表面制备碳化硅层，可极大的缩短制备时间和保证碳化铪微粉晶粒尺寸的控制，为基材表面的涂层性能提供了保障；
（2）本发明制得的高温复合材料具有优异的高温综合性能，具有高杨氏模量、高导热率、低热膨胀系数以及较好的高温力学性能，且抗热震性好、抗侵蚀性能优异，是应用于航空航天、半导体等领域的理想结构材料。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
本实施例的高温复合材料，包括碳基材和碳基材表面的复合涂层，包括碳基材和碳基材表面的复合涂层，复合涂层为碳化铪/碳化钽-碳化硅连续相复合涂层，复合涂层的密度为2.85g/cm3，孔隙率为2.9%，复合涂层中碳化铪的质量分数为60%；碳化硅的质量分数为20%；碳化钽的质量分数为20%。本实施例的高温复合材料通过以下步骤制备得到：
（1）将20wt%的碳化铪粉（粒径1微米）、20wt%的碳化铪粉（粒径20微米）、10wt%的碳化铪粉（粒径50微米）、20wt%的碳化铪粉（粒径80微米）和30wt%的碳化铪粉（粒径100微米）以及碳化铪粉质量5%的碳酸钠、碳化铪粉质量3%的聚甲基丙烯酸甲酯、2%的酚醛树脂成型剂混合获得碳化铪粉料。
（2）将碳基材经超声、清洗后在鼓风干燥箱中烘干，再将碳化铪粉料压制在碳基材表面形成生坯；将生坯干燥后进行放电等离子烧结（SPS烧结），得到孔隙率为38%的坯体；SPS烧结的参数条件如下：烧结炉内温度为2000℃，保温30min，升温速率为20℃/min，降温速率为50℃/min，压力为60MPa，真空度＜5Pa。
（3）对坯体进行化学气相共沉积：将TaCl5和SiCl4粉体放置于化学气相沉积炉炉腔上方的送粉装置中；以7℃/min的升温速率将等温化学气相沉积CVD炉内温度升温至1300℃，然后以0.6g/min的送粉速率向炉膛中输送TaCl5粉体，以0.6g/min的送粉速率向炉膛中输送SiCl4粉体，以600ml/min的流量向炉膛内通入氢气，以100ml/min的流量向炉膛内通入甲烷，真空度保持在5kPa，并在该温度下沉积时间为80h，随后关闭电源自然降温，整个降温过程通入氢气保护，在坯体表面形成复合涂层为碳化铪/碳化钽-碳化硅连续相复合涂层，即得到本实施例的高温复合材料。
对本实施例的高温复合材料进行性能测试，测得其杨氏模量330GPa，1200℃抗折强度138MPa，热膨胀系数2 .15×10-6/K，导热系数28W/(m·K)，耐酸碱度1～14，用空气淬冷法测试抗热震性，重复热循环次数80，材料中复合涂层的杂质含量0 .028%。
实施例2：
本实施例的高温复合材料，包括碳基材和碳基材表面的复合涂层，复合涂层为碳化铪/碳化钽-碳化硅连续相复合涂层，复合涂层的密度为2.83g/cm3，孔隙率为3%，复合涂层中碳化铪的质量分数为60%；碳化硅的质量分数为20%；碳化钽的质量分数为20%；本实施例的高温复合材料通过以下步骤制备得到：
（1）将30wt%的碳化铪粉（粒径1微米）、10wt%的碳化铪粉（粒径20微米）、20wt%的碳化铪粉（粒径50微米）、20wt%的碳化铪粉（粒径80微米）和20wt%的碳化铪粉（粒径100微米）以及碳化铪粉质量3%的碳酸钠和碳化铪粉质量2%的聚乙烯醇混合获得碳化铪粉料。
（2）将碳基材经超声、清洗后在鼓风干燥箱中烘干，再将碳化铪粉料压制在碳基材表面形成生坯；将生坯干燥后进行放电等离子烧结（SPS烧结），得到孔隙率为38%的坯体；SPS烧结的参数条件如下：烧结炉内温度为2000℃，保温40min，升温速率为30℃/min，降温速率为50℃/min，压力为60MPa，真空度＜5Pa。
（3）对坯体进行化学气相共沉积：将TaCl5和SiCl4粉体放置于化学气相沉积炉炉腔上方的送粉装置中；以7℃/min的升温速率将等温化学气相沉积CVD炉内温度升温至1300℃，然后以0.6g/min的送粉速率向炉膛中输送TaCl5粉体，以0.6g/min的送粉速率向炉膛中输送SiCl4粉体，以600ml/min的流量向炉膛内通入氢气，以100ml/min的流量向炉膛内通入甲烷，真空度保持在5kPa，并在该温度下沉积时间为120h，随后关闭电源自然降温，整个降温过程通入氢气保护，在坯体表面形成碳化铪/碳化钽-碳化硅连续相复合涂层，即得到本实施例的高温复合材料。
对本实施例的高温复合材料进行性能测试，测得其杨氏模量325GPa，1200℃抗折强度 128MPa，热膨胀系数2.16×10-6/K，导热系数27.5W/(m·K)，耐酸碱度1~14，用空气淬冷法测试抗热震性，重复热循环次数80，材料中复合涂层的杂质含量 0.025%。
实施例3：
本实施例的高温复合材料，包括碳基材和碳基材表面的复合涂层，包括碳基材和碳基材表面的复合涂层，复合涂层为碳化铪/碳化钽-碳化硅连续相复合涂层，复合涂层的密度为2.85g/cm3，孔隙率为2.9%，复合涂层中碳化铪的质量分数为60%；碳化硅的质量分数为20%；碳化钽的质量分数为20%。本实施例的高温复合材料通过以下步骤制备得到：
（1）将20wt%的碳化铪粉（粒径1微米）、20wt%的碳化铪粉（粒径20微米）、10wt%的碳化铪粉（粒径50微米）、20wt%的碳化铪粉（粒径80微米）和30wt%的碳化铪粉（粒径100微米）以及碳化铪粉质量5%的碳酸钠和碳化铪粉质量3%的聚乙烯醇和2%的酚醛树脂成型剂混合获得碳化铪粉料。
（2）将碳基材经超声、清洗后在鼓风干燥箱中烘干，再将碳化铪粉料压制在碳基材表面形成生坯；将生坯干燥后进行放电等离子烧结（SPS烧结），得到孔隙率为38%的坯体；SPS烧结的参数条件如下：烧结炉内温度为2000℃，保温30min，升温速率为20℃/min，降温速率为50℃/min，压力为60MPa，真空度＜5Pa。
（3）对坯体进行化学气相共沉积：将TaCl5和SiCl4粉体放置于化学气相沉积炉炉腔上方的送粉装置中；以7℃/min的升温速率将等温化学气相沉积CVD炉内温度升温至1300℃，然后以0.6g/min的送粉速率向炉膛中输送TaCl5粉体，以0.6g/min的送粉速率向炉膛中输送SiCl4粉体，以600ml/min的流量向炉膛内通入氢气，以100ml/min的流量向炉膛内通入甲烷，真空度保持在5kPa，并在该温度下沉积时间为100h，随后关闭电源自然降温，整个降温过程通入氢气保护，在坯体表面形成复合涂层为碳化铪/碳化钽-碳化硅连续相复合涂层，即得到本实施例的高温复合材料。
对本实施例的高温复合材料进行性能测试，测得其杨氏模量 338GPa，1200℃抗折强度 138MPa，热膨胀系数2.15×10-6/K，导热系数27.6W/(m·K)，耐酸碱度1~14 ，用空气淬冷法测试抗热震性，重复热循环次数80，材料中复合涂层的杂质含量 0.028%。
对比例1：
本对比例的复合材料的生产工艺与实施例1的不同之处仅在于，步骤（2）中采用热压烧结法对生坯进行烧结，其他步骤和参数均与实施例1相同，烧结后坯体的强度大大降低，1200℃抗折强度仅为61MPa。
对比例2：
本对比例的复合材料的生产工艺与实施例1的不同之处仅在于，步骤（1）中采用粒度相同的碳化铪分配置成碳化铪粉料，其他步骤和参数均与实施例1相同。测试结果表明，本对比例的复合材料在生坯烧结后得到的坯体孔隙率无法控制，达到60%。
对比例3：
本对比例的复合材料的生产工艺与实施例1的不同之处仅在于，步骤（1）中碳化铪粉料中造孔剂的添加量为碳化铪粉料的2%，其他步骤和参数均与实施例1相同。测试结果表明，本对比例的复合材料在生坯烧结后得到的坯体孔隙率仅为10%，无法进行后续的CVD工序。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种高温复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将碳化铪粉料压制在基材表面得到生坯，将所述生坯进行烧结，得到坯体，所述坯体的孔隙率为35%~45%；所述碳化铪粉料包括碳化铪粉、造孔剂和成型剂，所述造孔剂为碳酸铵和聚甲基丙烯酸甲酯，所述成型剂包括酚醛树脂，所述酚醛树脂的添加量为碳化铪粉质量的0.5~2%，其中，所述碳酸铵的添加量为碳化铪粉质量的3~5%，所述聚甲基丙烯酸甲酯的添加量为碳化铪粉质量的1~7%，所述碳化铪粉由粒径分别为0.1~5um、5~20um、20~50um、50~80um和80~100um的五种碳化铪粉组成，所述五种碳化铪粉的质量比为：（20~30）：（10~20）：（10~20）：（20~30）：（20~30）；本步骤中，采用放电等离子烧结工艺对所述生坯进行烧结，烧结温度为1500~2400℃，升温速率为5~150℃/min，保温时间为5~60min，烧结压力为20~60MPa，真空度小于5Pa，烧结完成后降温速率为5~150℃/min；
（2）对所述坯体进行化学气相共沉积，在坯体表面形成碳化铪/碳化钽-碳化硅连续相复合涂层，即得所述高温复合材料；所述碳化铪/碳化钽-碳化硅连续相复合涂层中碳化铪的质量分数为50~60%；碳化硅的质量分数为15~30%；碳化钽的质量分数为15~30%。
2.根据权利要求1所述的高温复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，对所述坯体的化学气相共沉积工艺包括以下操作：将等温化学气相沉积CVD炉内温度升温至1300℃，然后以0.6g/min的送粉速率向沉积装置中输送TaCl5粉体，以0.6g/min的送粉速率向沉积装置中输送SiCl4粉体，以600ml/min的流量向沉积装置内通入氢气，以100ml/min的流量向沉积装置内通入甲烷，真空度为5kPa，沉积时间为60~120h，沉积完成后在氢气氛围内自然降温，即可在坯体表面形碳化钽-碳化硅复合层。
3.根据权利要求1或2所述的高温复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，对所述坯体进行化学气相共沉积前，将坯体置于500~800℃高温管式炉中，于真空条件下保温2~5h。
4.一种高温复合材料，其特征在于，所述高温复合材料由权利要求1-3任一项所述的制备方法制得，所述高温复合材料包括基材和设置在基材表面的复合涂层，所述复合涂层为碳化铪/碳化钽-碳化硅连续相复合涂层。
5.根据权利要求4所述的高温复合材料，其特征在于，所述复合涂层的孔隙率小于等于3%，显孔隙率小于等于1%。
6.根据权利要求4或5所述的高温复合材料，其特征在于，所述复合涂层的密度为2.8~3.0g/cm3。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311442927.6A CN117164363B (zh) | 2023-11-02 | 2023-11-02 | 一种高温复合材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311442927.6A CN117164363B (zh) | 2023-11-02 | 2023-11-02 | 一种高温复合材料及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117164363A CN117164363A (zh) | 2023-12-05 |
| CN117164363B true CN117164363B (zh) | 2024-01-26 |
Family
ID=88939744
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311442927.6A Active CN117164363B (zh) | 2023-11-02 | 2023-11-02 | 一种高温复合材料及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117164363B (zh) |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102295474A (zh) * | 2011-06-10 | 2011-12-28 | 中南大学 | 一种SiC-TaC涂层/基体协同改性C/C复合材料及其制备方法 |
| US8137802B1 (en) * | 2009-02-05 | 2012-03-20 | Sandia Corporation | Multilayer ultra-high-temperature ceramic coatings |
| CN102765969A (zh) * | 2012-06-25 | 2012-11-07 | 西北工业大学 | 六硼化镧-二硅化钼-碳化硅抗热震涂层的制备方法 |
| KR101604422B1 (ko) * | 2015-09-22 | 2016-03-17 | 임광현 | 하프늄 카바이드를 이용한 내열 소재 및 그 제조방법 |
| WO2016037316A1 (zh) * | 2014-09-09 | 2016-03-17 | 南京工业大学 | 一种sic多孔陶瓷材料的制备方法及由其制得的多孔陶瓷材料 |
| CN108395279A (zh) * | 2018-02-08 | 2018-08-14 | 西北工业大学 | 化学气相共沉积法制备HfC-SiC复相梯度涂层的方法 |
| CN109485423A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-03-19 | 西北工业大学 | SiC纳米线增韧化学气相共沉积HfC-SiC复相涂层的制备方法 |
| CN112830815A (zh) * | 2021-01-20 | 2021-05-25 | 中电化合物半导体有限公司 | 一种碳基表面形成的碳化钽涂层及其形成方法和用途 |
| CN114853507A (zh) * | 2022-07-06 | 2022-08-05 | 湖南泰坦未来科技有限公司 | 一种复合碳材料及其制备方法和应用 |
| CN115353414A (zh) * | 2022-07-29 | 2022-11-18 | 中南大学 | 一种SiC与碳氮化物互穿抗烧蚀涂层及其制备方法 |
| CN115716760A (zh) * | 2022-11-25 | 2023-02-28 | 航天特种材料及工艺技术研究所 | 一种C/SiC-HfC陶瓷基复合材料及其制备方法 |
| CN115784776A (zh) * | 2022-03-22 | 2023-03-14 | 西北工业大学 | 碳/碳复合材料表面大范围均匀分布富MoSi2-ZrB2抗氧化涂层及制备方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8216667B2 (en) * | 2005-02-14 | 2012-07-10 | Toyo Tanso Co., Ltd. | Tantalum carbide-coated carbon material and production method thereof |
-
2023
- 2023-11-02 CN CN202311442927.6A patent/CN117164363B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8137802B1 (en) * | 2009-02-05 | 2012-03-20 | Sandia Corporation | Multilayer ultra-high-temperature ceramic coatings |
| CN102295474A (zh) * | 2011-06-10 | 2011-12-28 | 中南大学 | 一种SiC-TaC涂层/基体协同改性C/C复合材料及其制备方法 |
| CN102765969A (zh) * | 2012-06-25 | 2012-11-07 | 西北工业大学 | 六硼化镧-二硅化钼-碳化硅抗热震涂层的制备方法 |
| WO2016037316A1 (zh) * | 2014-09-09 | 2016-03-17 | 南京工业大学 | 一种sic多孔陶瓷材料的制备方法及由其制得的多孔陶瓷材料 |
| KR101604422B1 (ko) * | 2015-09-22 | 2016-03-17 | 임광현 | 하프늄 카바이드를 이용한 내열 소재 및 그 제조방법 |
| CN108395279A (zh) * | 2018-02-08 | 2018-08-14 | 西北工业大学 | 化学气相共沉积法制备HfC-SiC复相梯度涂层的方法 |
| CN109485423A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-03-19 | 西北工业大学 | SiC纳米线增韧化学气相共沉积HfC-SiC复相涂层的制备方法 |
| CN112830815A (zh) * | 2021-01-20 | 2021-05-25 | 中电化合物半导体有限公司 | 一种碳基表面形成的碳化钽涂层及其形成方法和用途 |
| CN115784776A (zh) * | 2022-03-22 | 2023-03-14 | 西北工业大学 | 碳/碳复合材料表面大范围均匀分布富MoSi2-ZrB2抗氧化涂层及制备方法 |
| CN114853507A (zh) * | 2022-07-06 | 2022-08-05 | 湖南泰坦未来科技有限公司 | 一种复合碳材料及其制备方法和应用 |
| CN115353414A (zh) * | 2022-07-29 | 2022-11-18 | 中南大学 | 一种SiC与碳氮化物互穿抗烧蚀涂层及其制备方法 |
| CN115716760A (zh) * | 2022-11-25 | 2023-02-28 | 航天特种材料及工艺技术研究所 | 一种C/SiC-HfC陶瓷基复合材料及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ablation-Resistant Composite Coating of HfC-TaC-SiC for C/C Composites Deposited by Supersonic Atmospheric Plasma Spraying;Y.Yang et al.;J. Ceram. Sci. Tech.;第07卷;379-386 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117164363A (zh) | 2023-12-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI477443B (zh) | 被覆碳化矽之碳基材之製造方法以及被覆碳化矽之碳基材與碳化矽碳複合燒結體、被覆陶瓷之碳化矽碳複合燒結體和碳化矽碳複合燒結體之製造方法 | |
| CN108706978B (zh) | 喷雾造粒结合3dp和cvi制备碳化硅陶瓷基复合材料的方法 | |
| CN109400164B (zh) | 一种max相/氮化物陶瓷层状梯度复合材料及其快速制备方法和应用 | |
| JP2024500914A (ja) | 高熱伝導性窒化ケイ素セラミックス絶縁板及びその製造方法 | |
| CN109180161B (zh) | 一种高纯钛硅化碳/氧化铝复合材料及其制备方法 | |
| CN106904985B (zh) | 一种钛-硅-碳增强型氧化铝基多相复合材料及其制备方法 | |
| CN105838920B (zh) | 一种Ti/AlN金属陶瓷复合材料及其制备方法 | |
| CN112935249B (zh) | 一种金刚石/金属基复合材料的高效制备方法 | |
| CN111056827B (zh) | 高温相稳定多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷及其制备方法 | |
| CN114315359A (zh) | 一种利用固溶耦合法制备高强韧复相高熵陶瓷的方法和应用 | |
| WO2022089379A1 (zh) | 一种基于放电等离子烧结的氮化硅/碳化钛陶瓷材料制备方法 | |
| CN112028635A (zh) | 一种超高温陶瓷复合材料及制备方法 | |
| CN101734920B (zh) | 一种氮化钛多孔陶瓷及其制备方法 | |
| CN111943702A (zh) | 一种原位自生β-SIALON晶须增韧碳化钨复合材料及其制备方法与应用 | |
| CN117164363B (zh) | 一种高温复合材料及其制备方法 | |
| CN113735583A (zh) | 一种新型金刚石/碳化硅复合陶瓷及其制备方法 | |
| CN107867828A (zh) | 一种Al2O3陶瓷材料的制备方法及其作为微波陶瓷窗材料的应用 | |
| CN109336614B (zh) | 一种Sialon/Ti-22Al-25Nb陶瓷基复合材料的制备方法 | |
| CN101182212A (zh) | YAG/ZrB2系复相陶瓷及其制备方法 | |
| CN109265148B (zh) | 一种透气砖用高性能陶瓷板的制备方法 | |
| CN113213905A (zh) | 一种堇青石基微晶玻璃结合Al2O3-SiO2系统陶瓷材料及其制备方法 | |
| CN111704465A (zh) | 原位生成氮化铝-碳化硅固溶体复相陶瓷及其制备方法 | |
| CN115521149B (zh) | 一种高熵陶瓷基梯度纳米复合刀具材料及其制备方法 | |
| JP7394500B1 (ja) | 金属及び／又はセラミックス・グラファイト含有アルミニウム複合体材料及び金属及び／又はセラミックス・グラファイト含有アルミニウム複合体材料の製造方法 | |
| CN108624795B (zh) | 一种金属陶瓷的烧结方法 |
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 |