[go: up one dir, main page]

CN114524674B - 一种防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114524674B
CN114524674B CN202210193554.2A CN202210193554A CN114524674B CN 114524674 B CN114524674 B CN 114524674B CN 202210193554 A CN202210193554 A CN 202210193554A CN 114524674 B CN114524674 B CN 114524674B
Authority
CN
China
Prior art keywords
composite material
heat
impregnation
carbon
precursor
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
Application number
CN202210193554.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114524674A (zh
Inventor
汤素芳
胡成龙
张维维
庞生洋
李建
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.)
Institute of Metal Research of CAS
Original Assignee
Institute of Metal Research of CAS
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 Institute of Metal Research of CAS filed Critical Institute of Metal Research of CAS
Priority to CN202210193554.2A priority Critical patent/CN114524674B/zh
Publication of CN114524674A publication Critical patent/CN114524674A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114524674B publication Critical patent/CN114524674B/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
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/52—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on 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
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • 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
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/71—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/78—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing non-metallic materials
    • C04B35/80—Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like
    • 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
    • C04B2235/3804—Borides
    • C04B2235/3813—Refractory metal borides
    • 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
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6562—Heating rate
    • 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
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6567—Treatment time
    • 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
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/658—Atmosphere during thermal treatment
    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

本发明公开了一种防热‑隔热‑承载一体化轻质碳‑陶复合材料及其制备方法，属于超高温热防护材料技术领域。通过将具有抗氧化、抗烧蚀功能的陶瓷基体与轻质碳基复合材料复合，制备出所述复合材料。该材料由纤维增强体，碳气凝胶和陶瓷双基体组成，陶瓷基体均匀弥散分布于碳气凝胶三维纳米网络结构中，依靠碳气凝胶的隔热‑承载和陶瓷基体的抗氧化烧蚀进而满足长时高温有氧环境下的多功能需求。通过改变陶瓷组元种类、含量以及引入次序，可实现轻质碳基复合材料的宽温域抗氧化烧蚀。本发明所述材料的力学及抗氧化性能相较于轻质碳基复合材料有明显提高，压缩强度提高至90.9MPa，1300℃下静态氧化15min失重率下降至9.19％。

Description

一种防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及超高温热防护材料技术领域，具体涉及一种防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料及其制备方法。
背景技术
碳气凝胶是一种新型纳米级多孔碳材料，三维纳米碳颗粒在其内部堆叠形成丰富的孔结构，使其兼具气凝胶轻质多孔和碳材料高温稳定等优异性能。特别是，由于其独特的介孔结构和纳米颗粒网状结构对声子的散射、光子的遮挡和气体分子碰撞的抑制，可大幅降低固态、气态和辐射热导率，其隔热性能明显优于传统的碳纤维毡和碳泡沫，是目前少有的可在1600℃以上长时使用的刚性隔热材料。然而，传统碳气凝胶为玻璃碳结构，脆性大，难以实现大尺寸制备。采用高强韧碳质纤维作为增强体，通过界面微结构调控等手段，可显著改善其力学性能和大尺寸成型能力，从而实现超高温隔热-承载一体化功能，所获得的轻质碳基复合材料在航天飞行器及其动力系统等热防护领域极具应用前景。
但碳材料在高温下易因氧化而导致失效，难以满足新一代飞行器及其动力系统有氧环境下对热防护材料的性能要求，采用抗氧化陶瓷组元对纳米碳气凝胶基体进行掺杂改性，可以有效提高碳气凝胶的抗氧化、抗烧蚀能力，满足有氧环境下的防热-隔热-承载需求。因此，本发明提出一种适用于轻质碳基复合材料(碳气凝胶复合材料、碳泡沫复合材料)基体掺杂技术，通过将具有抗氧化功能的一种或多种陶瓷基体引入到轻质碳基复合材料中形成碳气凝胶和陶瓷双基体，从而获得具有防热-隔热-承载一体化功能的轻质碳-陶复合材料。
发明内容
本发明目的在于提供一种防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料及其制备方法，以满足超高温有氧环境下的热防护需求。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纤维增强轻质碳基复合材料作为基材并加工成所需形状，吹净表面后用酒精进行超声清洗，随后置于烘箱内90～120℃烘干24～48h；
(2)准备材料A，并将材料A与溶剂按一定比例混合，机械搅拌1～4h后得到浸渍溶液；所述材料A为硼酸或磷酸；或者，所述材料A为抗氧化组元的陶瓷粉体；或者，所述材料A为抗氧化组元的有机或无机前驱体；所述抗氧化组元为SiBCN、SiCO、SiC、ZrC、ZrB2、HfC和HfB2中的一种或几种；所述溶剂为二甲苯、乙醇和蒸馏水中的一种或几种；
(3)将轻质碳基复合材料样品浸入步骤(2)配制的浸渍溶液中，采用超声震荡、真空或常压浸渍等方法将溶液浸入并均匀分布于轻质碳基复合材料样品中，保持一定时间后，取出样品擦干；
(4)将经步骤(3)浸渍后的轻质碳基复合材料样品置于干燥箱中常压固化干燥，之后对复合材料进行高温热处理，得到含有抗氧化组元的轻质碳-陶复合材料；固化干燥工艺参数为80～170℃，保温2～4h；
(5)重复步骤(2)至步骤(4)的过程0～5次。
上述步骤(1)中，所述轻质碳基复合材料密度范围为0.2～0.7g/cm3，所述轻质碳基复合材料为纤维增强碳气凝胶复合材料或碳泡沫复合材料。
上述步骤(2)中，所述材料A为硼酸或磷酸时，浸渍溶液配制方法为：将硼酸或磷酸粉末倒入90℃去离子水中，机械搅拌至大部分粉末溶解后，放入超声震荡仪中110℃超声振动溶解，得到硼酸或磷酸浸渍溶液；其中：硼酸粉末或磷酸粉末的用量与水的重量比例为1:(3～10)。
上述步骤(2)中，所述材料A为抗氧化组元的陶瓷粉体时，浸渍溶液配制方法为：将陶瓷粉体倒入去离子水或乙醇中，磁力搅拌2～4h后配制成陶瓷粉体浸渍溶液；其中：陶瓷粉体的用量与溶剂的重量比例为(5～30):100。
上述步骤(2)中，所述材料A为抗氧化组元的有机或无机前驱体时，浸渍溶液配制方法为：将所述抗氧化组元的前驱体按一定比例与二甲苯混合，磁力搅拌2～4h后配制成前驱体浸渍溶液；其中抗氧化组元的前驱体与二甲苯溶剂的重量比例为(5～30):100；所述SiBCN的前驱体为聚硼硅氮烷PSNB，SiCO前驱体为聚硅氧烷PSO，SiC前驱体为聚碳硅烷PCS，ZrC的前驱体为有机锆前驱体PZC，ZrB2的前驱体为有机锆前驱体PZB、HfC和HfB2的前驱体为以HfCl4为铪源配制的有机前驱体。
上述步骤(3)中，当浸渍溶液是采用硼酸或磷酸配制时，采用超声震荡浸渍，浸渍时间0.5～2h；当浸渍溶液是采用抗氧化组元的陶瓷粉体或前驱体制备而成时，采用真空-常压浸渍，具体方法为：将样品装入烧杯中置于真空浸渍罐内，将浸渍罐抽成真空(真空度≤-0.1MPa)，利用压力差将前驱体浸渍溶液引入装有样品的烧杯中，保持该真空度0.5～2h后再常压保持0.5～2h。
上述步骤(4)中，当采用硼酸或磷酸浸渍溶液时，样品进行热处理的工艺分多步进行：惰性气氛下以5℃/min升温速率从常温升至170～250℃保温0.5～1h，后继续升温至300～400℃保温0.5～1h，再升温至500～700℃并保温0.5～1h。
上述步骤(4)中，当浸渍溶液是抗氧化组元的陶瓷粉体或前驱体制备而成时，样品热处理工艺为：在裂解炉中惰性气氛下以5℃/min的速度升温至800～1500℃，保温0.5～2h，保护气氛下自然降温。
上述步骤(5)中，在步骤(2)～(4)反复进行时，可通过浸渍溶液浓度、浸渍溶液种类及浸渍次序的变化，调整轻质碳基复合材料改性组分的组成，典型的浸渍溶液浓度、种类、次序及所得改性复合材料包括但不限于以下10种：
(1)浸渍次序：25wt.％硼酸溶液；所得材料：氧化硼改性轻质碳基复合材料；
(2)浸渍次序：25wt.％硼酸溶液，10wt.％PSNB；所得材料：氧化硼-SiBCN改性轻质碳基复合材料；
(3)浸渍次序：20wt.％PSNB；所得材料：SiBCN改性轻质碳基复合材料；
(4)浸渍次序：30wt.％磷酸溶液；所得材料：磷酸改性轻质碳基复合材料；
(5)浸渍次序：25wt.％PCS；所得材料：SiC改性轻质碳基复合材料；
(6)浸渍次序：30wt.％PSO；所得材料：SiCO前驱体改性轻质碳基复合材料；
(7)浸渍次序：15wt.％PZB；所得材料：ZrB2改性轻质碳基复合材料；
(8)浸渍次序：20wt.％PCS，10wt.％PZC；所得材料：SiC-ZrC改性轻质碳基复合材料；
(9)浸渍次序：10wt.％PCS，20wt.％HfB2有机前驱体；所得材料：SiC-HfB2改性轻质碳基复合材料；
(10)浸渍次序：10wt.％PCS，15wt.％PZB，15wt.％PZC；所得材料：SiC-ZrB2-ZrC改性轻质碳基复合材料。
所制备的一体化轻质碳-陶复合材料材料由纤维增强体、碳气凝胶和陶瓷双基体组成，陶瓷基体均匀弥散分布于碳气凝胶三维纳米网络结构中，依靠碳气凝胶的隔热-承载和陶瓷基体的抗氧化烧蚀进而满足长时高温有氧环境下的多功能需求。
本发明的设计机理如下：
采用不同浓度抗氧化组元(或其前驱体)配制成的浸渍溶液，通过真空浸渍、脱水干燥，或陶瓷前驱体浸渍裂解(PIP)工艺对轻质碳基复合材料进行基体掺杂；利用液相流动性好的特点，将所配制溶液通过气凝胶基体孔道引入其内部，经固化、热处理等工艺后得到由抗氧化组元均匀弥散于三维纳米网络结构中的新型复合材料，显著改善其高温有氧环境下的抗氧化、烧蚀性能。作为低温抗氧化组元，硼/磷酸经烘干脱水后可形成玻璃相氧化物，其粘度大，对基体的附着性强，可在内外表面形成保护层；聚合物衍生陶瓷作为高温及超高温抗氧化组元，由其前驱体溶液高温裂解形成，具有优异的抗氧化、烧蚀性能，耐温可达2000℃以上。本发明中选用单一及混合抗氧化组元配制成的浸渍溶液流动性良好，对碳气凝胶材料具有良好的浸润性及渗透性，在纳米碳网络中渗入的抗氧化组元可消耗氧气，并抑制氧气扩散，同时减少基体与氧气接触，进而提高氧化烧蚀性能。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用超声震荡以及真空加常压浸渍工艺，将硼/磷酸、抗氧化陶瓷粉体及其前驱体引入轻质碳基复合材料内部，并经固化、热处理等工艺得到碳气凝胶-陶瓷双基体复合材料，使材料整体抗氧化、烧蚀性能显著提升，从而满足高温有氧环境下防热-隔热-承载一体化使用需求。
2、本发明方法通过改变陶瓷组元种类、含量以及引入次序，可实现轻质碳基复合材料的宽温域抗氧化烧蚀。本发明所述材料的力学及抗氧化性能相较于轻质碳基复合材料有明显提高，压缩强度由62.7MPa提高至90.9MPa，1300℃下静态氧化15min失重率由14.92％下降至9.19％。
附图说明
图1为本发明所述实施例工艺的流程图。
图2为轻质碳基复合材料掺杂前后及氧化后的微观组织形貌；其中：(a)掺杂前；(b)掺杂SiBCN陶瓷后；(c)氧化后的微观形貌。
图3为轻质碳基复合材料掺杂前后氧化失重率对比。
图4为轻质碳基复合材料掺杂前后压缩强度对比。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，以下结合实例对本发明进行描述，但实例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。
SiBCN陶瓷由于具有优异的高温稳定性、宽温域抗氧化性能，因此，以下采用SiBCN高温陶瓷作为抗氧化烧蚀组元来对轻质碳基复合材料进行基体掺杂为实施例对本发明做进一步说明，以帮助更好的了解本发明，图1为其工艺流程图，但本发明的保护范围并不仅限于实施例。
实施例1：
本实施例为一体化轻质碳-陶复合材料的制备，具体过程如下：
(1)将密度为0.6g/cm3的轻质碳基复合材料基材加工成尺寸为12.7×23.2×32.0mm的块状试样，吹净表面后用酒精进行超声清洗，随后置于烘箱内120℃烘干24h。
(2)将SiBCN陶瓷的有机前驱体(PSNB)溶于二甲苯溶剂中，通过磁力搅拌2h使其充分混合，得到PSNB前驱体浸渍溶液，其浓度为20％。
(3)将装有轻质碳基复合材料样品的烧杯放入真空浸渍罐中并将其抽成真空(真空度≤-0.1MPa)，利用压力差将上述PSNB前驱体浸渍溶液引入烧杯中，保持该压力状态0.5h后，常压下浸渍0.5h，取出样品并擦干。
(4)将浸渍后样品置于170℃烘箱中常压固化2h后，放入裂解炉中并通入保护气氛，以5℃/min的速率升温至900℃后保温1h后得到SiBCN改性轻质碳基复合材料。
(5)重复(2)至(4)步骤1次。
采用20％PSNB前驱体溶液浸渍后所得轻质碳基复合材料多孔体内均匀分布着无定形SiBCN陶瓷，增重率为11.16％；将所得材料在保护气氛下升温至1300℃，保温5min后通入氧气，样品恒温氧化15min后失重率为9.19％，与未浸渍材料相比，经改性掺杂后的复合材料氧化失重率下降38％左右，抗氧化性能显著提高。图2为材料掺杂前后及氧化后微观形貌，图3为材料掺杂前后氧化失重率，图4为材料掺杂前后压缩强度。
实施例2：
与实施例1不同之处在于浸渍溶液种类及浸渍工艺有所不同。本发明中影响轻质碳基复合材料抗氧化性能的工艺参数主要是浸渍溶液浓度、种类以及引入次序等，在实施例2中主要采用两种抗氧化组元结合对轻质碳基复合材料基体进行掺杂以对本发明做进一步解释，具体包含以下步骤：
(1)将密度为0.4g/cm3的轻质碳基复合材料基材加工成尺寸为13.1×23.0×32.5mm的块状试样，吹净表面后用酒精进行超声清洗，随后置于烘箱内120℃烘干24h。
(2)将硼酸粉末倒入水中并用玻璃棒搅拌至粉末大部分溶解后，利用超声仪器进行110℃加热超声震荡溶解，得到25％硼酸溶液；采用与实施例1中(2)同样的方法得到7％PSNB前驱体浸渍溶液。
(3)将装有轻质碳基复合材料样品的烧杯放入真空浸渍罐中并将其抽成真空(真空度≤-0.1MPa)，利用压力差将上述PSNB前驱体浸渍溶液引入烧杯中，保持该压力状态0.5h后，常压下浸渍0.5h，取出样品并擦干。
(4)将浸渍后样品置于170℃烘箱中常压固化2h后，放入裂解炉中并通入保护气氛，以5℃/min的速率升温至900℃后保温1h后，得到SiBCN改性轻质碳基复合材料。
(5)随后采用硼酸溶液浸渍样品，浸渍后在170℃下干燥2h；随后在保护气氛下330℃保温0.5h进行脱水处理，得到B2O3-SiBCN改性轻质碳基复合材料，试样增重率为11.38％。B2O3在中低温下呈熔融玻璃状，可有效隔离氧气保护碳基体，SiBCN在高温下具有优异的抗氧化烧蚀性能，二者结合可大幅拓宽防热-隔热-承载一体化轻质碳基复合材料的抗氧化温度范围。

Claims (8)

1.一种防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
（1）将纤维增强轻质碳基复合材料作为基材并加工成所需形状，吹净表面后用酒精进行超声清洗，随后置于烘箱内90~120°C烘干24~48h；
（2）准备材料A，并将材料A与溶剂按一定比例混合，机械搅拌1~4h后得到浸渍溶液；所述材料A为硼酸或磷酸；或者，所述材料A为抗氧化组元的陶瓷粉体；或者，所述材料A为抗氧化组元的有机或无机前驱体；所述抗氧化组元为SiBCN、SiCO、SiC、ZrC、ZrB2、HfC和HfB2中的一种或几种；所述溶剂为二甲苯、乙醇和蒸馏水中的一种或几种；其中：所述材料A为硼酸或磷酸时，浸渍溶液配制方法为：将硼酸或磷酸粉末倒入90°C去离子水中，机械搅拌至大部分粉末溶解后，放入超声震荡仪中110°C超声振动溶解，得到硼酸或磷酸浸渍溶液；其中：硼酸粉末或磷酸粉末的用量与水的重量比例为1:（3~10）；
所述材料A为抗氧化组元的陶瓷粉体时，浸渍溶液配制方法为：将陶瓷粉体倒入去离子水或乙醇中，机械搅拌后得到陶瓷粉体浸渍溶液；其中：陶瓷粉体的用量与溶剂的重量比例为（5~30）:100；
所述材料A为抗氧化组元的有机或无机前驱体时，浸渍溶液配制方法为：将所述抗氧化组元的前驱体按一定比例与二甲苯混合，磁力搅拌2~4h后配制成前驱体浸渍溶液；其中抗氧化组元的前驱体与二甲苯溶剂的重量比例为（5~30）:100；
（3）将轻质碳基复合材料样品浸入步骤（2）配制的浸渍溶液中，采用超声震荡、真空或常压浸渍方法将溶液浸入轻质碳基复合材料样品中，保持一定时间后，取出样品擦干；
（4）将经步骤（3）浸渍后的轻质碳基复合材料样品置于干燥箱中固化干燥，之后对复合材料进行高温热处理，得到含有抗氧化组元的轻质碳-陶复合材料；
（5）步骤（2）~（4）反复进行，通过浸渍溶液浓度、浸渍溶液种类及浸渍次序的变化，调整轻质碳基复合材料改性组分的组成。
2.根据权利要求1所述的防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述轻质碳基复合材料密度范围为0.2~0.7 g/cm3，所述轻质碳基复合材料为纤维增强碳气凝胶复合材料或碳泡沫复合材料。
3.根据权利要求1所述的防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料的制备方法，其特征在于：所述SiBCN的前驱体为聚硼硅氮烷PSNB，SiCO前驱体为聚硅氧烷PSO，SiC前驱体为聚碳硅烷PCS，ZrC的前驱体为有机锆前驱体PZC，ZrB2的前驱体为有机锆前驱体PZB，HfC和HfB2的前驱体为以HfCl4为铪源配制的有机前驱体。
4.根据权利要求1所述的防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，当浸渍溶液是采用硼酸或磷酸配制时，采用超声震荡浸渍，浸渍时间0.5~2h；当浸渍溶液是采用抗氧化组元的陶瓷粉体或前驱体制备而成时，采用真空-常压浸渍，具体方法为：将样品装入烧杯中置于真空浸渍罐内，将浸渍罐抽成真空，真空度≤-0.1MPa，利用压力差将浸渍溶液引入装有样品的烧杯中，保持该真空度0.5~2h后再常压保持0.5~2h。
5.根据权利要求1所述的防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，当采用硼酸或磷酸浸渍溶液时，样品进行热处理的工艺分多步进行：保护气氛下以5°C /min升温速率从常温升至170~250°C保温0.5~1h，后继续升温至300~400°C保温0.5~1h，再升温至500~700°C并保温0.5~1h。
6.根据权利要求1所述的防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，当浸渍溶液是抗氧化组元的陶瓷粉体或前驱体制备而成时，样品热处理工艺为：保护气氛下以5°C /min的速度升温至800~1500°C，保温0.5~2h。
7.根据权利要求1所述的防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（5）中，典型的浸渍溶液浓度、种类、次序及所得改性复合材料包括但不限于以下10种：
（1）浸渍次序：25 wt.% 硼酸溶液；所得材料：氧化硼改性轻质碳基复合材料；
（2）浸渍次序：25 wt.% 硼酸溶液，10 wt.% PSNB；所得材料：氧化硼-SiBCN改性轻质碳基复合材料；
（3）浸渍次序：20 wt.% PSNB；所得材料：SiBCN改性轻质碳基复合材料；
（4）浸渍次序：30 wt.% 磷酸溶液；所得材料：磷酸改性轻质碳基复合材料；
（5）浸渍次序：25 wt.% PCS；所得材料：SiC改性轻质碳基复合材料；
（6）浸渍次序：30 wt.% PSO；所得材料：SiCO前驱体改性轻质碳基复合材料；
（7）浸渍次序：15 wt.% PZB；所得材料：ZrB2改性轻质碳基复合材料；
（8）浸渍次序：20 wt.% PCS，10 wt.% PZC；所得材料：SiC-ZrC改性轻质碳基复合材料；
（9）浸渍次序：10 wt.% PCS，20 wt.% HfB2有机前驱体；所得材料：SiC-HfB2改性轻质碳基复合材料；
（10）浸渍次序：10 wt.% PCS，15 wt.% PZB，15 wt.% PZC；所得材料：SiC-ZrB2
-ZrC改性轻质碳基复合材料。
8.一种利用权利要求1-7任一所述方法制备的防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料，其特征在于：该材料由纤维增强体、碳气凝胶和陶瓷双基体组成，陶瓷基体均匀弥散分布于碳气凝胶三维纳米网络结构中，依靠碳气凝胶的隔热-承载和陶瓷基体的抗氧化烧蚀进而满足长时高温有氧环境下的多功能需求。
CN202210193554.2A 2022-03-01 2022-03-01 一种防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料及其制备方法 Active CN114524674B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210193554.2A CN114524674B (zh) 2022-03-01 2022-03-01 一种防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210193554.2A CN114524674B (zh) 2022-03-01 2022-03-01 一种防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114524674A CN114524674A (zh) 2022-05-24
CN114524674B true CN114524674B (zh) 2023-04-07

Family

ID=81626755

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210193554.2A Active CN114524674B (zh) 2022-03-01 2022-03-01 一种防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114524674B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115180966B (zh) * 2022-06-21 2023-04-21 安徽工程大学 一种连续碳纤维增韧ZrB2/SiOC陶瓷基复合材料的制备方法
CN115536415B (zh) * 2022-12-01 2023-03-10 中南大学 一种耐烧蚀隔热一体化复合材料及其制备方法
CN116239395B (zh) * 2023-03-15 2024-04-30 哈尔滨理工大学 一种具有分级孔隙的低密度ZrB2多孔陶瓷制备方法
CN119059832B (zh) * 2024-11-05 2025-01-03 湖南荣岚智能科技有限公司 一种高机械强度气凝胶隔热材料及其制备方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2851244B1 (fr) * 2003-02-17 2005-06-17 Snecma Propulsion Solide Procede de siliciuration de materiaux composites thermostructuraux et pieces telles qu'obtenues par le procede
US20110033623A1 (en) * 2009-08-05 2011-02-10 Honeywell International Inc. Method of preventing carbon friction material anti oxidation system migration by utilizing carbon vapor deposition
CN104261798B (zh) * 2014-09-18 2017-03-15 中国人民解放军国防科学技术大学 一种耐高温SiCOB气凝胶隔热复合材料及其制备方法
CN104311143B (zh) * 2014-10-14 2016-03-30 中国人民解放军国防科学技术大学 一种提高炭气凝胶复合材料抗氧化性能的方法
CN105502346B (zh) * 2016-01-27 2018-01-16 中国林业科学研究院木材工业研究所 一种利用甲壳素气凝胶制备的碳气凝胶及其制备方法
CN110066175B (zh) * 2019-05-13 2020-10-27 中南大学 超轻碳化物陶瓷泡沫的制备方法
CN113526972A (zh) * 2021-07-28 2021-10-22 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种抗强烧蚀的稀土改性超高温陶瓷基复合材料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114524674A (zh) 2022-05-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114524674B (zh) 一种防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料及其制备方法
CN103467126B (zh) 一种SiC纳米线改性C/C复合材料的制备方法
CN110922191B (zh) 一种碳化硅聚合物先驱体陶瓷缺陷愈合方法
CN107141005B (zh) 氮化硅纤维增强二氧化硅和氮化硼陶瓷基复合材料及其制备方法和应用
CN105272266A (zh) 一种先驱体转化碳化硅泡沫陶瓷的制备方法
CN113929470B (zh) 纳米阵列定向排布的各向异性多孔氮化硅陶瓷及制备方法
CN111285699B (zh) 一种轻质可重复使用的防隔热材料及其制备方法
CN105541334A (zh) 多层孔筋结构的碳化硅基复合泡沫陶瓷及其制备方法
CN113526973B (zh) 一种具有双界面相的透波陶瓷基复合材料及其制备方法
CN115557800B (zh) 一种多孔碳均匀陶瓷化制备碳化硅基复合材料的方法
CN110304932A (zh) 一种具有HfB2界面的Cf/SiC复合材料的制备方法
CN105541416A (zh) 一种C/C复合材料表面HfC-SiC涂层的制备方法
CN113663611A (zh) 一种耐高温复合纳米纤维气凝胶材料及其制备方法
CN106626581A (zh) 一种改进耐高温夹层结构隔热材料的应变性能的方法及由该方法制得的材料
CN113387724B (zh) 一种碳/碳复合材料表面耐高温长寿命复合涂层及制备方法
CN111807843A (zh) 一种轻质高强碳化硅泡沫陶瓷及其制备方法
CN113800935A (zh) 一种原位自生SiC(nw,np)-ZrB2-ZrC改性碳/碳复合材料的制备方法
CN119059832B (zh) 一种高机械强度气凝胶隔热材料及其制备方法
CN115784749B (zh) 一种耐高温水氧侵蚀的碳化硅陶瓷基复合材料及其制备方法
Wang et al. Dual-feedback healing mechanism redefining anti-oxidation coatings in fiber-reinforced composites
CN108609603B (zh) 一种含有石墨烯涂层的碳泡沫及其制备方法
CN117819999B (zh) 一种防热-隔热-承载一体化轻质碳-陶复合材料及其制备与应用
CN108863434A (zh) 一种高含量碳纳米管增强先驱体陶瓷复合材料及其制备方法
CN106083209B (zh) 一种微结构构造中间层界面Mullite/硅酸钇复合涂层的制备方法
CN115594520A (zh) 一种热防护材料及其制备方法

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