本發(fā)明涉及一種制備碳纖維增韌ZrB₂-SiC復(fù)合材料的方法。

背景技術(shù)：

ZrB₂基超高溫陶瓷復(fù)合材料具有優(yōu)異的高溫綜合性能，可以在2000℃以上的氧化環(huán)境中長時(shí)間(>2000s)使用并能夠保持非燒蝕和結(jié)構(gòu)完整性，是一種極具前途的超高溫非燒蝕型防熱材料，已成為超高溫極端服役環(huán)境下飛行器鼻錐和翼前緣等關(guān)鍵組件、關(guān)鍵熱端部件的重要候選或首選材料。然而，ZrB₂基超高溫陶瓷材料較低的損傷容限和較差的抗熱沖擊性能制約了該材料的工程應(yīng)用，采用傳統(tǒng)的方法提高超高溫陶瓷材料的強(qiáng)韌性和抗熱沖擊性能已趨于極限。碳纖維因具有比強(qiáng)度高、重量輕且韌性好等優(yōu)勢受到廣泛重視，而將超高溫陶瓷基體中引入連續(xù)碳纖維能有效突破超高溫陶瓷材料的本征脆性和抗熱沖擊性能差這一瓶頸問題。目前纖維增韌陶瓷材料的主流制備方法為浸漬-裂解法，但該方法需要經(jīng)過反復(fù)的真空浸漬和高溫裂解過程，高溫裂解過程中對碳纖維具有一定的損傷且反復(fù)真空浸漬也難以獲得高致密度復(fù)合材料，同時(shí)該制備方法周期較長且制備成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有碳纖維增韌ZrB₂基超高溫陶瓷材料在制備過程中難以獲得高致密度且碳纖維易損傷的問題，而提供一種漿料注射工藝制備碳纖維增韌硼化鋯-碳化硅復(fù)合材料的方法。

一種漿料注射工藝制備碳纖維增韌硼化鋯-碳化硅復(fù)合材料的方法，具體是按以下步驟完成的：

一、制備ZrB₂-SiC陶瓷漿料：將ZrB₂粉體和SiC粉體混合，得到ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末；將ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末加入到無水乙醇中，再加入分散劑，再在球磨轉(zhuǎn)速為150r/min～300r/min下球磨3h～5h，得到均勻分散的ZrB₂-SiC陶瓷漿料；

步驟一中所述的ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末中ZrB₂粉體的體積分?jǐn)?shù)為60％～70％；

步驟一中所述的ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末中SiC粉體的體積分?jǐn)?shù)為30％～40％；

步驟一中所述的分散劑與ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末的質(zhì)量比(0.01～0.02):1；

步驟一中所述的均勻分散的ZrB₂-SiC陶瓷漿料中固體含量的體積分?jǐn)?shù)為10％～20％；

二、在注射壓力為20N～40N下將均勻分散的ZrB₂-SiC陶瓷漿料均勻注射到碳纖維預(yù)制體中，再在溫度為20℃～30℃下真空干燥0.5h～1.5h，再進(jìn)行壓實(shí)，得到ZrB₂-SiC陶瓷漿料均勻填充于碳纖維預(yù)制體孔隙中的ZrB₂-SiC-C_f的生坯；

步驟二中所述的壓實(shí)的工藝參數(shù)為：壓力100N～200N，壓實(shí)時(shí)間為5min～10min；

步驟二中所述的碳纖維預(yù)制體的密度為0.1g/cm³～0.2g/cm³，孔隙率為91.5％；

步驟二中所述的碳纖維預(yù)制體的質(zhì)量與均勻分散的ZrB₂-SiC陶瓷漿料的體積比為3g:(15mL～25mL)；

三、將ZrB₂-SiC陶瓷漿料均勻填充于碳纖維預(yù)制體孔隙中的ZrB₂-SiC-C_f的生坯置于溫度為20℃的真空環(huán)境中恒溫干燥，完全干燥后得到生坯；將生坯裝入到石墨模具中，再在溫度為1400℃～1500℃和燒結(jié)壓力為20MPa～40MPa下真空熱壓燒結(jié)1h～3h，得到碳纖維增韌ZrB₂-SiC復(fù)合材料。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

一、本發(fā)明采用漿料注射成型的方式制備碳纖維增韌超高溫陶瓷材料，探索了碳纖維在漿料注射、裂解以及高溫?zé)Y(jié)過程中微結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，并提出了抑制纖維損傷的方法；初步實(shí)現(xiàn)了碳纖維在超高溫陶瓷材料中含量與排布的有效控制，解決了高含量碳纖維增韌超高溫陶瓷材料中陶瓷粉體分布均勻性以及碳纖維在超高溫陶瓷中的均勻化分布等難題，為纖維增韌超高溫陶瓷材料的強(qiáng)韌化與抗氧化協(xié)同需求及組分與微結(jié)構(gòu)的可控設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)；

二、本發(fā)明制備的碳纖維增韌ZrB₂-SiC復(fù)合材料的致密度高于92％，彎曲強(qiáng)度大于220MPa，斷裂韌性大于4MPa·m^1/2。

本發(fā)明可獲得一種漿料注射工藝制備碳纖維增韌ZrB₂-SiC復(fù)合材料的方法。

附圖說明

圖1為實(shí)施例一步驟二中漿料注射工藝制備的ZrB₂-20vol.％SiC-30vol.％C_f生坯的斷口微觀組織形貌；

圖2為實(shí)施例一步驟三中得到的ZrB₂-20vol.％SiC-30vol.％C_f復(fù)合材料的斷口微觀組織形貌。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式是一種漿料注射工藝制備碳纖維增韌硼化鋯-碳化硅復(fù)合材料的方法具體是按以下步驟完成的：

一、制備ZrB₂-SiC陶瓷漿料：將ZrB₂粉體和SiC粉體混合，得到ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末；將ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末加入到無水乙醇中，再加入分散劑，再在球磨轉(zhuǎn)速為150r/min～300r/min下球磨3h～5h，得到均勻分散的ZrB₂-SiC陶瓷漿料；

步驟一中所述的ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末中ZrB₂粉體的體積分?jǐn)?shù)為60％～70％；

步驟一中所述的ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末中SiC粉體的體積分?jǐn)?shù)為30％～40％；

步驟一中所述的分散劑與ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末的質(zhì)量比(0.01～0.02):1；

步驟一中所述的均勻分散的ZrB₂-SiC陶瓷漿料中固體含量的體積分?jǐn)?shù)為10％～20％；

二、在注射壓力為20N～40N下將均勻分散的ZrB₂-SiC陶瓷漿料均勻注射到碳纖維預(yù)制體中，再在溫度為20℃～30℃下真空干燥0.5h～1.5h，再進(jìn)行壓實(shí)，得到ZrB₂-SiC陶瓷漿料均勻填充于碳纖維預(yù)制體孔隙中的碳纖維增韌ZrB₂-SiC陶瓷材料生坯；

步驟二中所述的壓實(shí)的工藝參數(shù)為：壓力100N～200N，壓實(shí)時(shí)間為5min～10min；

步驟二中所述的碳纖維預(yù)制體的密度為0.1g/cm³～0.2g/cm³，孔隙率為91.5％；

步驟二中所述的碳纖維預(yù)制體的質(zhì)量與均勻分散的ZrB₂-SiC陶瓷漿料的體積比為3g:(15mL～25mL)；

三、將ZrB₂-SiC陶瓷漿料均勻填充于碳纖維預(yù)制體孔隙中的碳纖維增韌ZrB₂-SiC陶瓷材料生坯置于溫度為20℃的真空環(huán)境中恒溫干燥，完全干燥后得到生坯；將生坯裝入到石墨模具中，再在溫度為1400℃～1500℃和燒結(jié)壓力為20MPa～40MPa下真空熱壓燒結(jié)1h～3h，得到碳纖維增韌ZrB₂-SiC復(fù)合材料。

本實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)：

一、本實(shí)施方式采用漿料注射成型的方式制備碳纖維增韌超高溫陶瓷材料，探索了碳纖維在漿料注射、裂解以及高溫?zé)Y(jié)過程中微結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，并提出了抑制纖維損傷的方法；初步實(shí)現(xiàn)了碳纖維在超高溫陶瓷材料中含量與排布的有效控制，解決了高含量碳纖維增韌超高溫陶瓷材料中陶瓷粉體分布均勻性以及碳纖維在超高溫陶瓷中的均勻化分布等難題，為纖維增韌超高溫陶瓷材料的強(qiáng)韌化與抗氧化協(xié)同需求及組分與微結(jié)構(gòu)的可控設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)；

二、本實(shí)施方式制備的碳纖維增韌ZrB₂-SiC復(fù)合材料的致密度高于92％，彎曲強(qiáng)度大于220MPa，斷裂韌性大于4MPa·m^1/2。

本實(shí)施方式可獲得一種漿料注射工藝制備碳纖維增韌ZrB₂-SiC復(fù)合材料的方法。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同點(diǎn)是：步驟一中所述的ZrB₂粉體的粒徑為100nm～200nm。其他步驟與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二之一不同點(diǎn)是：步驟一中所述的SiC粉體的粒徑為400nm～600nm。其他步驟與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同點(diǎn)是：步驟一中所述的分散劑為聚乙烯亞胺。其他步驟與具體實(shí)施方式一至三相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同點(diǎn)是：步驟一中所述的ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末中ZrB₂粉體的體積分?jǐn)?shù)為60％～65％。其他步驟與具體實(shí)施方式一至四相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至五之一不同點(diǎn)是：步驟一中所述的ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末中SiC粉體的體積分?jǐn)?shù)為30％～35％。其他步驟與具體實(shí)施方式一至五相同。

具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至六之一不同點(diǎn)是：步驟一中所述的均勻分散的ZrB₂-SiC陶瓷漿料中固體含量的體積分?jǐn)?shù)為10％～15％。其他步驟與具體實(shí)施方式一至六相同。

具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至七之一不同點(diǎn)是：步驟二中所述的碳纖維預(yù)制體的密度為0.15g/cm³，孔隙率為91.5％。其他步驟與具體實(shí)施方式一至七相同。

具體實(shí)施方式九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至八之一不同點(diǎn)是：步驟三中將ZrB₂-SiC陶瓷漿料均勻填充于碳纖維預(yù)制體孔隙中的碳纖維增韌ZrB₂-SiC陶瓷生坯置于溫度為20℃的真空環(huán)境中恒溫干燥，完全干燥后得到生坯；將生坯裝入到石墨模具中，再在溫度為1400℃～1450℃和燒結(jié)壓力為20MPa～30MPa下真空熱壓燒結(jié)1h～2h，得到碳纖維增韌ZrB₂-SiC復(fù)合材料。其他步驟與具體實(shí)施方式一至八相同。

具體實(shí)施方式十：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至九之一不同點(diǎn)是：步驟三中將ZrB₂-SiC陶瓷漿料均勻填充于碳纖維預(yù)制體孔隙中的碳纖維增韌ZrB₂-SiC陶瓷生坯置于溫度為20℃的真空環(huán)境中恒溫干燥，完全干燥后得到生坯；將生坯裝入到石墨模具中，再在溫度為1450℃～1500℃和燒結(jié)壓力為30MPa～40MPa下真空熱壓燒結(jié)2h～3h，得到碳纖維增韌ZrB₂-SiC復(fù)合材料。其他步驟與具體實(shí)施方式一至九相同。

采用以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果：

實(shí)施例一：一種漿料注射工藝制備碳纖維增韌硼化鋯-碳化硅復(fù)合材料的方法，具體是按以下步驟完成的：

一、制備ZrB₂-SiC陶瓷漿料：將粒徑為140nm的ZrB₂粉體和粒徑為500nm的SiC粉體混合，得到ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末；將ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末加入到無水乙醇中，再加入分散劑，再在球磨轉(zhuǎn)速為220r/min下球磨4h，得到均勻分散的ZrB₂-SiC陶瓷漿料；

步驟一中所述的分散劑為聚乙烯亞胺；

步驟一中所述的ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末中ZrB₂粉體的體積分?jǐn)?shù)為70％；

步驟一中所述的ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末中SiC粉體的體積分?jǐn)?shù)為30％；

步驟一中所述的分散劑與ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末的質(zhì)量比0.015:1；

步驟一中所述的均勻分散的ZrB₂-SiC陶瓷漿料中固體含量的體積分?jǐn)?shù)為20％；

二、在注射壓力為30N下將均勻分散的ZrB₂-SiC陶瓷漿料均勻注射到碳纖維預(yù)制體中，再在溫度為20℃下真空干燥1h，再進(jìn)行壓實(shí)，得到ZrB₂-SiC陶瓷漿料均勻填充于碳纖維預(yù)制體孔隙中的ZrB₂-20vol.％SiC-30vol.％C_f的生坯；

步驟二中所述的壓實(shí)的工藝參數(shù)為：壓力150N，壓實(shí)時(shí)間為8min；

步驟二中所述的碳纖維預(yù)制體的密度為0.15g/cm³，孔隙率為91.5％；

步驟二中所述的碳纖維預(yù)制體的質(zhì)量與均勻分散的ZrB₂-SiC陶瓷漿料的體積比為3g:20mL；

三、將ZrB₂-SiC陶瓷漿料均勻填充于碳纖維預(yù)制體孔隙中的ZrB₂-20vol.％SiC-30vol.％C_f的生坯置于溫度為20℃的真空環(huán)境中恒溫干燥，完全干燥后得到生坯；將生坯裝入到石墨模具中，再在溫度為1450℃和燒結(jié)壓力為30MPa下真空熱壓燒結(jié)2h，得到ZrB₂-20vol.％SiC-30vol.％C_f復(fù)合材料。

圖1為實(shí)施例一步驟二中漿料注射工藝制備的ZrB₂-20vol.％SiC-30vol.％C_f生坯的斷口微觀組織形貌；

從圖1可知，碳纖維預(yù)制體中空隙均被陶瓷漿料填充，且碳纖維表面被一層陶瓷顆粒均勻包覆，一定程度上能夠抑制碳纖維的損傷。

圖2為實(shí)施例一步驟三中得到的ZrB₂-20vol.％SiC-30vol.％C_f復(fù)合材料的斷口微觀組織形貌。

從圖2可知，材料斷口表現(xiàn)出明顯纖維拔出的現(xiàn)象，一定程度改善了陶瓷材料的斷裂韌性，同時(shí)斷口處碳纖維與基體之間的界面干凈，未發(fā)生明顯化學(xué)反應(yīng)，保證了碳纖維結(jié)構(gòu)的完整性，抑制了碳纖維損傷。

實(shí)施例一步驟三中得到的ZrB₂-20vol.％SiC-30vol.％C_f復(fù)合材料的致密度為93.5％，彎曲強(qiáng)度為265±28MPa，斷裂韌性為4.12±0.27MPa·m^1/2。

實(shí)施例二：一種漿料注射工藝制備碳纖維增韌硼化鋯-碳化硅復(fù)合材料的方法，具體是按以下步驟完成的：

一、制備ZrB₂-SiC陶瓷漿料：將粒徑為140nm的ZrB₂粉體和粒徑為500nm的SiC粉體混合，得到ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末；將ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末加入到無水乙醇中，再加入分散劑，再在球磨轉(zhuǎn)速為220r/min下球磨4h，得到均勻分散的ZrB₂-SiC陶瓷漿料；

步驟一中所述的分散劑為聚乙烯亞胺；

步驟一中所述的ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末中ZrB₂粉體的體積分?jǐn)?shù)為60％；

步驟一中所述的ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末中SiC粉體的體積分?jǐn)?shù)為40％；

步驟一中所述的分散劑與ZrB₂粉體和SiC粉體的混合粉末的質(zhì)量比0.015:1；

步驟一中所述的均勻分散的ZrB₂-SiC陶瓷漿料中固體含量的體積分?jǐn)?shù)為20％；

二、在注射壓力為30N下將均勻分散的ZrB₂-SiC陶瓷漿料均勻注射到碳纖維預(yù)制體中，再在溫度為20℃下真空干燥1h，再進(jìn)行壓實(shí)，得到ZrB₂-SiC陶瓷漿料均勻填充于碳纖維預(yù)制體孔隙中的ZrB₂-20vol.％SiC-50vol.％C_f的生坯；

步驟二中所述的壓實(shí)的工藝參數(shù)為：壓力150N，壓實(shí)時(shí)間為8min；

步驟二中所述的碳纖維預(yù)制體的密度為0.15g/cm³，孔隙率為91.5％；

步驟二中所述的碳纖維預(yù)制體的質(zhì)量與均勻分散的ZrB₂-SiC陶瓷漿料的體積比為3g:18mL；

三、將ZrB₂-SiC陶瓷漿料均勻填充于碳纖維預(yù)制體孔隙中的ZrB₂-20vol.％SiC-50vol.％C_f的生坯置于溫度為20℃的真空環(huán)境中恒溫干燥，完全干燥后得到生坯；將生坯裝入到石墨模具中，再在溫度為1450℃和燒結(jié)壓力為30MPa下真空熱壓燒結(jié)2h，得到ZrB₂-20vol.％SiC-50vol.％C_f復(fù)合材料。

實(shí)施例二步驟三中得到的ZrB₂-20vol.％SiC-50vol.％C_f復(fù)合材料的致密度為92.2％，彎曲強(qiáng)度為232±21MPa，斷裂韌性為5.27±0.23MPa·m^1/2。