一种氧化锆基多孔复合材料及其制备方法技术

一种氧化锆基多孔复合材料及其制备方法，所述氧化锆基多孔复合材料包含由La2O3、Y2O3和ZrO2构成的氧化锆基体、以及埋覆于氧化锆基体中的增强体纤维，其中，在氧化锆基体中，将La2O3、Y2O3以及ZrO2的摩尔比之和作为100mol%，La2O3占1-10mol%，Y2O3占0.5-5mol%，其余为ZrO2；增强体纤维占所述氧化锆基多孔复合材料的10-45wt%。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】，所述氧化锆基多孔复合材料包含由La2O3、Y2O3和ZrO2构成的氧化锆基体、以及埋覆于氧化锆基体中的增强体纤维，其中，在氧化锆基体中，将La2O3、Y2O3以及ZrO2的摩尔比之和作为100mol%，La2O3占1-10mol%，Y2O3占0.5-5mol%，其余为ZrO2；增强体纤维占所述氧化锆基多孔复合材料的10-45wt%。【专利说明】
本专利技术属于高温热防护材料领域，具体涉及一种氧化锆基多孔复合材料及其制备 方法。
技术介绍
航天飞行器或巡航导弹在飞行过程中要经受严重的热、振动、噪声和冲击等 复杂环境的影响，其中最苛刻的飞行条件是从轨道上以高超音速再入大气层时强烈的 气动加热。飞行器以8马赫数的速度在27km高度飞行时头锥处的温度为1793°C，机 翼或尾翼前缘的温度高达 1455 °C 。随着航天、航空飞行器飞行速度不断提高，服役环 境越来越恶劣，对热防护材料的要求愈加苛刻。新型飞行器热防护系统期望材料具有 轻质、隔热、耐高温并兼有一定承载能力的特性，这类用于飞行器上的防/隔热复合材料 已成为目前研究的热点和重点。经过多年的研制和改进，陶瓷瓦高效隔热复合材料已形 成了 LI(Lockheed Insulation)、FRCI (Fibrous Refractory Insulation Composite)、 AETB (Alumina Enhanced Thermal Barrier)以及BRI (Boeing Resuable Insulation)等系 列材料. ADA308170, 1989.]，典型的陶瓷隔热瓦AETB-12体积密度0. 192g/cm3,热导率约为0. 064W/ (m · K)，压缩强度0. 90?1. 83MPa，使用温度可达1700?1870K。然而陶瓷瓦隔热材料却 具有脆性大，抗损伤能力差，维护成本高，更换周期长的缺点。现阶段研制出的气凝胶超 级隔热材料，具有低密度，极低热导率特性，如氧化硅气凝胶具有优异的隔热性能，是目前 公认热导率最低的固态材料（常温下约为〇. 〇13WAm · K)).长沙：国防科学技术大学，2006]。由于气凝胶本身固 有的力学性能差，使该类材料在力学性能要求高的航空航天领域的应用受到限制。 纤维增强的陶瓷基复合材料具有陶瓷材料耐高温、密度低、热稳定性和化学稳定 等特点，同时还具有不产生灾难性破坏的优点，它作为一种重要的高温防/隔热材料越来 越引起材料研究者的重视。碳/碳（C/C)复合材料是碳纤维增强碳基体的复合材料，具有 高强高模、比重轻、热膨胀系数小、抗腐蚀、抗热冲击、耐摩擦性能好、化学稳定性好等一系 列优异性能，是一种新型的热结构/功能一体化的超高温复合材料。但由于其具有强烈的 氧化敏感性（温度高于500°C时迅速氧化），如不加以保护，C/C复合材料难以在高温下满 足要求, Carbon, 1972, 10 (4) :369-3 82.]。另一类超高温热防护材料是C/SiC复合材料，C/SiC复合材料具有低密度、高强度、耐 高温、抗烧蚀和抗冲击等优点，其抗氧化性能优于C/C复合材料。西北工业大学等单位研制 的C/SiC陶瓷复合材料在1650°C的氧化环境中能够长时间工作，室温抗弯强度和断裂韧性 分别达到700MPa以上和10?15MPa ·πι1/2.航空制造技术，2003, 233(1) :24-32.]。但是性能优异的C/SiC复 合材料热防护件制备工艺复杂、周期长、制备成本高，其高温本征抗氧化性能差，热桥阻断 作用也较弱。氧化物陶瓷不存在氧化的问题，氧化锆基陶瓷具有熔点高、硬度高、热导率低、 热稳定性好、耐化学腐蚀、线膨胀系数接近金属材料等诸多优异性能，可以作为热结构的保 护材料使用。将氧化锆基材料制成多孔陶瓷可进一步降低热导率和轻量化， 同时多孔陶瓷中的孔结构还可以缓解热膨胀不匹配造成的应力。另外，将稀有金属离子 固溶到氧化锫晶格中也可以材料降低热导率。 目前制备多孔陶瓷方法包括模板法、添加造孔剂法、部分烧结法、 有机泡沫浸溃法等，但是这些方法都难以制备出兼备高气孔率和高力学强 度的多孔陶瓷。
技术实现思路
本专利技术旨在填补现有技术难以制备兼具高气孔率和高力学强度的多孔陶瓷的空 白，本专利技术提供了。 本专利技术提供了一种氧化锆基多孔复合材料，所述氧化锆基多孔复合材料包含由 La203、Y203和Zr02构成的氧化锆基体、以及埋覆于氧化锆基体中的增强体纤维，其中，在氧 化锆基体中，将La 203、Y203以及Zr02的摩尔比之和作为lOOrnol%，La 203占 l-10mol%，Y203 占0. 5-5mol%，其余为Ζι?2 ;增强体纤维占所述氧化锆基多孔复合材料的10-45wt%。 较佳地，所述增强体纤维可为氧化锆毡、莫来石毡、氧化铝纤维编织体、碳纤维编 织体或氧化锆纤维编织体，所述增强体纤维的直径为20-25 μ m。 较佳地，所述Ζι?2可以立方相和单斜相存在。 较佳地，可以氧化锆毡作为增强体纤维，所述氧化锆基多孔复合材料的密度为 2.93-3.328/〇113，显气孔率41.1-49.8%，压缩强度为14.6-47.4]\0^，在 100-12001：温度范 围下所述氧化锆多孔复合材料的热导率为〇. 58-0. 91WAm · K)。 此外，本专利技术还提供了一种上述氧化锆基多孔复合材料的制备方法，所述方法包 括： 1) 以氧氯化锆、硝酸钇和硝酸镧为原料，按氧化锆基体中Zr、La、Υ之间的摩尔比配制 含有Zr、La、Y的水溶液，加入分散剂，滴加氨水，加热蒸发部分溶剂得到Zr元素的摩尔浓度 为3. 9-7. 7的前驱体乳液，优选Zr元素的摩尔浓度为7. 0?7. 7mol/L ; 2) 将前驱体乳液、乙醇和聚乙烯醇混合配制为具有规定粘度的前驱体浆料； 3) 将作为骨架的增强体纤维在步骤2)制备的浆料中浸渍，得到所述氧化锆基多孔复 合材料的前驱体； 4) 将步骤3)制备的前驱体干燥后，在规定气氛、800- 1000°C下裂解得到预制体；以及 5) 将步骤4)中制备的预制体在规定气氛、1200-1700°C下进行热处理。 较佳地，重复步骤3)和步骤4)以使所述氧化锆基多孔复合材料具有规定的密度 和/或强度。 较佳地，步骤1)中，氧氯化锆与氨水的摩尔比为1 :(0. 5-1. 1)，优选1 :(0. 5? 0· 8)。 较佳地，步骤2)中，所述规定的粘度为20_60mPa · s。 较佳地，步骤2)中，所述聚乙烯醇溶液的浓度为2?6wt %，所述前驱体乳液和乙 醇和聚乙烯醇溶液的体积比为100 : (90?70) : (0. 5?2)。 较佳地，步骤3)中，所述浸渍包括：抽真空至lOOPa以下浸渍10?40分钟；以及 充氮气至1?2. 5MPa，保压浸渍7?13小时。 较佳地，步骤4)中，裂解工艺的参数为：升温速率2 - 10°C/分钟，裂解时间0.5- 3小时。 较佳地，步骤5)中，热处理工艺的参数为：温度变化速率为3 - 10°C /分钟，保温 时间1一6小时，其中，热处理优选包含两次保温，第一次保温本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化锆基多孔复合材料，其特征在于，所述氧化锆基多孔复合材料包含由La2O3、Y2O3和ZrO2构成的氧化锆基体、以及埋覆于氧化锆基体中的增强体纤维，其中，在氧化锆基体中，将La2O3、Y2O3以及ZrO2的摩尔比之和作为100 mol%，La2O3占1‑10mol%，Y2O3占0.5‑5mol%，其余为ZrO2；增强体纤维占所述氧化锆基多孔复合材料的10‑45wt%。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：艾建平，王士维，周国红，张海龙，覃显鹏，刘娟，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31