一种耐烧蚀碳化铪复合陶瓷材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于复合陶瓷材料，具体涉及一种耐烧蚀碳化铪复合陶瓷材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着超声速飞行器的热防护材料的使用要求逐渐苛刻，既要求陶瓷材料耐2000～3000℃烧蚀，又希望陶瓷材料具有一定的强度以保证服役寿命。超声速飞行器气的前缘、尾翼通常在2200～3000℃下经受热气流的冲蚀，因此需要提升陶瓷材料的耐温抗烧蚀极限温度。此外在超高温热气流的冲击下，材料零部件需要一定的力学性能以保持结构和尺寸的完整性。因此，以高熔点的碳化铪材料为主要成分，设计出具有抗烧蚀、抗氧化以及一定力学性能的热防护材料，是提升新型飞行器性能的关键。

2、航天事业的快速发展，陶瓷基复合材料因其高温稳定性、抗氧化以及抗烧蚀、低密度高强度等特性，可以代替金属作为新型高温结构材料。陶瓷基体本身具有耐高温的特性，但是陶瓷本身具有易脆裂的缺点。通常在耐高温的脆性陶瓷基体中添加或原位生成高韧性增强材料的手段来制备陶瓷基复合材料，陶瓷基体一般包括碳化硅(sic)、其他碳化物、氮化物和金属氧化物。碳化硅陶瓷复合材料制备的航空航天器件在高温环境下会发生氧化，碳化硅基体、碳纤维、碳纳米管等增韧相缺乏长期性能稳定性。现有碳/碳复合材料体系应用于部分飞行器热防护部件中，当烧蚀温度超过2500℃时，氧化层存在极易脱落的情况。热防护材料本身力学性能较差，在热气流的冲蚀下，易产生裂纹且与基体脱落等若干问题，最终失去其抗氧化、抗烧蚀能力。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种耐烧蚀碳化铪复合陶瓷材料及其制备方法和应用，本发明提供的耐烧蚀碳化铪复合陶瓷材料既能在2500℃以上提供优良的抗烧蚀能力，同时具有优异的力学性能。

2、为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、本发明提供了一种耐烧蚀碳化铪复合陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

4、将原料粉体球磨后，在保护气下进行烧结，得到耐烧蚀碳化铪复合陶瓷材料；

5、以质量份数计，所述原料粉体包括以下组分：

6、hfc粉70～90份、hfb2粉5～20份、sic粉5～10份和hfsi2粉0～20份。

7、优选的，所述hfc粉、hfb2粉、sic粉和hfsi2粉的粒径独立≤30μm。

8、优选的，所述烧结包括：第一烧结、升温和第二烧结；所述第一烧结的温度为1300～1600℃，保温时间为0.5～2h；所述第二烧结的温度为1700～2000℃，保温时间为1～3h。

9、优选的，所述升温的速率为5～15℃/min。

10、优选的，所述球磨为湿式球磨；所述湿式球磨所用溶剂为乙醇。

11、优选的，所述湿式球磨所用溶剂的体积和所述原料粉体的质量之比为(50～100)ml:(100～200)g。

12、优选的，所述所述球磨的转速为100～150rpm；所述球磨的时间为8～12h。

13、优选的，所述原料粉体还包括添加剂；所述添加剂包括聚乙烯醇缩丁醛、sic晶须以及碳纤维复合材料中的一种或几种。

14、本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备的耐烧蚀碳化铪复合陶瓷材料，包括主成分和副成分；所述主成分为hfc；所述副成分包括hfb2和sic，或hfb2、sic和hfsi2。

15、本发明还提供了上述技术方案所述耐烧蚀碳化铪复合陶瓷材料在超声速飞行器的热防护材料中的应用。

16、本发明提供了一种耐烧蚀碳化铪复合陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：将原料粉体球磨后，在保护气下进行烧结，得到耐烧蚀碳化铪复合陶瓷材料；以质量份数计，所述原料粉体包括以下组分：hfc粉70～90份、hfb2粉5～20份、sic粉5～10份和hfsi2粉0～20份。

17、本发明以hfc作为高熔点主相，为陶瓷提供骨架，使制备的复合陶瓷材料具有高熔点的特性，可以承受2500℃以上的烧蚀；hfb2相较于hfc熔点较低，用于在烧蚀升温过程中生成b2o3降低表面温度，sic生成sio2玻璃相用于填补空隙，从而使其具有优异的耐烧蚀性能，有效防止热防护层脱落。加入的hfsi2可以在体系中用于填补颗粒缝隙，其制备的复合陶瓷材料在高温下可以形成hfsio4玻璃相，也能进一步提高耐烧蚀性能，防止热防护层脱落。因此在超高温、富氧、高速气流冲刷的极端环境下，本发明制备的耐烧蚀碳化铪复合陶瓷材料中各组分分布均匀，依然能实现在基材表面形成一种氧化层物相均匀分布、氧化层熔点较高、自愈合熔体粘度较高的抗氧化、耐烧蚀氧化物保护层，在2500℃以上的超高温环境下具有优异的抗烧蚀作用且具有优异的力学性能。

18、此外，本发明在制备过程中利用sic晶须、碳纤维复合材料作为添加剂，可以促进耐烧蚀碳化铪复合陶瓷材料力学性能的提高。

技术特征：

1.一种耐烧蚀碳化铪复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述hfc粉、hfb2粉、sic粉和hfsi2粉的粒径独立≤30μm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结包括：第一烧结、升温和第二烧结；

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述升温的速率为5～15℃/min。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述球磨为湿式球磨；所述湿式球磨所用溶剂为乙醇。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述湿式球磨所用溶剂的体积和所述原料粉体的质量之比为(50～100)ml:(100～200)g。

7.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，所述球磨的转速为100～150rpm；所述球磨的时间为8～12h。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述原料粉体还包括添加剂；所述添加剂包括聚乙烯醇缩丁醛、sic晶须以及碳纤维复合材料中的一种或几种。

9.权利要求1～8任一项所述制备方法制备的耐烧蚀碳化铪复合陶瓷材料，其特征在于，包括主成分和副成分；所述主成分为hfc；所述副成分包括hfb2和sic，或hfb2、sic和hfsi2。

10.权利要求9所述耐烧蚀碳化铪复合陶瓷材料在超声速飞行器的热防护材料中的应用。

技术总结
本发明属于复合陶瓷材料技术领域，具体涉及一种耐烧蚀碳化铪复合陶瓷材料及其制备方法和应用。本发明将原料粉体球磨后，在保护气下进行烧结，得到耐烧蚀碳化铪复合陶瓷材料；以质量份数计，所述原料粉体包括以下组分：HfC粉70～90份、HfB<subgt;2</subgt;粉5～20份、SiC粉5～10份和HfSi<subgt;2</subgt;粉0～20份。本发明以HfC作为高熔点主相，为陶瓷提供骨架，使制备的复合陶瓷材料具有高熔点的特性，可以承受2500℃以上的烧蚀，且具有优异的力学性能。

技术研发人员：甄强,陈晨,李榕,胡志杰
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17