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：
1、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。
2、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。
技术实现思路
1、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。
2、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
3、一种高温复合材料的制备方法，包括以下步骤：
4、（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%；
5、（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。
6、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。
7、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%。
8、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。
9、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。
10、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。
11、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。
12、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%。
13、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。
14、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%。
15、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%。
16、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。
17、与现有技术相比，本发明的优点在于：
18、（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；
19、（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。