一种碳纤维-超高温陶瓷复合材料及其制备方法与流程

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种碳纤维-超高温陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、高超声速飞行器热端部件往往要经历极端服役环境的考验，飞行器飞行速度一般在5马赫以上，对热端部件的耐高温、耐氧化腐蚀以及结构材料的强度、韧性都有很高的要求。目前所使用的材料因其抗氧化能力弱、材料韧性较低不能满足高超声速飞行器长时间飞行，限制了其应用场景。

2、在碳碳复合材料基体中引入超高温陶瓷制备碳纤维-超高温陶瓷复合材料，可提高碳碳复合材料的抗氧化性能、抗烧蚀性能，提高材料的使用温度。以zrc、tac、hfc等为代表的碳纤维-超高温陶瓷复合材料成为研究热点。但目前工艺制备的碳纤维-超高温陶瓷复合材料存在超高温陶瓷含量不高的问题，以致耐高温性能并不理想。

技术实现思路

1、为克服现有技术中存在的不足之处，本发明目的在于提供一种碳纤维-超高温陶瓷复合材料及其制备方法。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种碳纤维-超高温陶瓷复合材料的制备方法，制备步骤如下：

4、（1）、将1#液态树脂、铜粉按质量比1∶（0.01~0.5）混合均匀，并向其中加入1#稀释剂调节浆料粘度，直至采用涂氏杯法测得的粘度为100 ml浆料流出时间为20~70 s，得到前驱体a；

5、（2）、将前驱体a浸渍到碳纤维预制体中，在900~1100 ℃真空条件下裂解1~3 h，得到中间体b；

6、（3）、将2#液态树脂与超高温陶瓷颗粒按质量比1∶（0.01~0.5）混合均匀，并向其中加入2#稀释剂调节浆料粘度，直至采用涂氏杯法测得的粘度为100 ml浆料流出时间为20~70 s，得到前驱体c；

7、（4）、采用pip法先将前驱体c浸渍到中间体b中，然后在150~200 ℃固化2~5 h，最后在900~1000 ℃真空条件下裂解1~3 h，得到中间体d1；

8、（5）、将中间体d1代替中间体b，重复步骤（3）-（4）得到中间体d2；再将中间体d2代替中间体b，重复步骤（3）-（4）得到中间体d3；以此类推，重复步骤（3）-（4），直至得到中间体dn，n≥2并且中间体dn与中间体dn-1相比增重率小于2 %；

9、（6）、对中间体dn除cu：在1200~1800 ℃，对中间体dn进行热处理2~4 h，得到多孔中间体e；

10、（7）、将前驱体c浸渍到多孔中间体e中，900~1000 ℃低温裂解2~4 h，得到碳纤维-超高温陶瓷复合材料。

11、较好地，铜粉的粒径为1~5μm。

12、较好地，碳纤维预制体的密度为0.5~0.8 g/cm3。在此碳纤维预制体密度下，前驱体a中的cu可以顺利进入碳纤维预制体内部。

13、较好地，超高温陶瓷颗粒的粒径为50 ~1000 nm。

14、较好地，超高温陶瓷颗粒为zrc、tac、hfc中的一种或几种的混合物。

15、较好地，1#液态树脂和2#液态树脂相同，选自酚醛树脂、苯并噁嗪树脂、呋喃树脂、聚脲、酚醛改性环氧树脂中的一种或几种的混合物。

16、较好地，呋喃树脂为糠酮树脂。

17、较好地，1#稀释剂和2#稀释剂相同，选自乙醇、甲苯、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、磷酸三乙酯中的一种或几种的混合物。

18、较好地，步骤（1）和步骤（3）中：1#液态树脂、铜粉的质量比为1∶（0.05~0.2），2#液态树脂与超高温陶瓷颗粒的质量比为1∶（0.05~0.2），采用涂氏杯法测得的粘度为100 ml浆料流出时间为30~50 s。

19、一种如前述制备方法制备的碳纤维-超高温陶瓷复合材料。

20、本发明中，步骤（1）和（3）采用涂氏杯法将浆料调整至所需粘度，使浆料充分进入碳纤维预制体或中间体内部，浆料过粘会增加浸渍难度，过稀则会在裂解后留下许多孔隙，会导致最终制备的复合材料因密度过低而不具备耐高温性能。将超高温陶瓷与树脂混合，通过pip法（浸渍-固化-裂解）进入中间体内部，形成含有超高温陶瓷的中间体dn，但金属铜的熔点为1083.4 ℃，在高温下会产生熔融，影响复合材料的耐温性，所以需要对中间体dn

21、进行除铜，这是因为：一方面，假如纯树脂前驱体进入碳纤维预制体，会对碳纤维预制体的填充过多，导致超高温陶瓷无法进入中间体，另一方面，采用树脂和超高温陶瓷颗粒混合物作为前驱体时，超高温陶瓷颗粒往往在与碳纤维保持一定比例后便不再浸渍，而本发明采用铜粉造孔，可以为后续加入超高温陶瓷颗粒时留足通道，中间体dn中铜熔融渗出后，形成了带孔道的中间体e，将前驱体c再次浸渍，使超高温陶瓷进入孔道中，解决了超高温陶瓷颗粒难以进入中间体内部而导致最终制备的复合材料中超高温陶瓷含量不高问题。

22、有益效果：本发明采用铜粉造孔法制备的碳纤维-超高温陶瓷复合材料，超高温陶瓷含量高，具有良好的耐高温性能，可以支持高超声速飞行器的极端环境服役行为。

技术特征：

1.一种碳纤维-超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：

2.如权利要求1所述的碳纤维/超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：铜粉的粒径为1~5μm。

3.如权利要求1所述的碳纤维/超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：碳纤维预制体的密度为0.5~0.8 g/cm3。

4.如权利要求1所述的碳纤维/超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：超高温陶瓷颗粒的粒径为50 ~1000 nm。

5.如权利要求1所述的碳纤维/超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：超高温陶瓷颗粒为zrc、tac、hfc中的一种或几种的混合物。

6.如权利要求1所述的碳纤维/超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：1#液态树脂和2#液态树脂相同，选自酚醛树脂、苯并噁嗪树脂、呋喃树脂、聚脲、酚醛改性环氧树脂中的一种或几种的混合物。

7.如权利要求6所述的碳纤维/超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：呋喃树脂为糠酮树脂。

8.如权利要求1所述的碳纤维/超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：1#稀释剂和2#稀释剂相同，选自乙醇、甲苯、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、磷酸三乙酯中的一种或几种的混合物。

9.如权利要求1所述的碳纤维/超高温陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）和步骤（3）中：1#液态树脂、铜粉的质量比为1∶（0.05~0.2），2#液态树脂与超高温陶瓷颗粒的质量比为1∶（0.05~0.2），采用涂氏杯法测得的粘度为100 ml浆料流出时间为30~50 s。

10.一种如权利要求1~9之任意一项所述制备方法制备的碳纤维-超高温陶瓷复合材料。

技术总结本发明公开一种碳纤维‑超高温陶瓷复合材料及其制备方法。（1）、将1#液态树脂、铜粉混匀并调节浆料粘度，得前驱体A；（2）、将前驱体A浸渍到碳纤维预制体中，裂解，得中间体B；（3）、将2#液态树脂与超高温陶瓷颗粒混匀并调节浆料粘度，得前驱体C；（4）、采用PIP法先将前驱体C浸渍到中间体B中，然后固化、真空裂解，得中间体D1；（5）、将中间体D1代替中间体B，重复步骤（3）‑（4）得中间体D2；以此类推，直至得到中间体Dn；（6）、对中间体Dn进行热处理除铜，得多孔中间体E；（7）、将前驱体C浸渍到多孔中间体E中，裂解，得到碳纤维‑超高温陶瓷复合材料。本发明制备的复合材料，超高温陶瓷含量高，具有良好的耐高温性能。技术研发人员：李江涛,吴恒,郭琛,魏庆渤,翟海峰受保护的技术使用者：巩义市泛锐熠辉复合材料有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/27