多元单相超高温陶瓷Ta制造技术

本发明专利技术涉及一种多元单相超高温陶瓷Ta

【技术实现步骤摘要】
多元单相超高温陶瓷Ta
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C改性碳/碳复合材料的制备方法


[0001]本专利技术属于超高温陶瓷改性碳/碳复合材料
，涉及一种多元单相超高温陶瓷Ta
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C改性碳/碳复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]碳/碳(C/C)复合材料又称碳纤维增强碳基体复合材料，其兼具碳基体固有的耐高温性能和碳纤维增强体的优异的力学性能。该材料密度低，热膨胀系数小，使用寿命长，可设计性强，摩擦磨损性能优异，比强度和比模量较高。除此以外，其力学强度在惰性环境中随着温度的升高(可达2200℃)不降反升。以上优异的特点和性能使得C/C复合材料在航空航天领域中得到了广泛的应用，然而，C/C复合材料也继承了碳材料在高温有氧环境下易氧化的特性，在500℃开始迅速氧化。因此，需要对C/C复合材料在高温环境进行热防护。
[0003]超高温陶瓷(TaC、HfC等)，具有高熔点、高硬度、耐腐蚀，优异的物理化学性能和良好的抗烧蚀性能，这一系列的优异性能使其成为理想的高温结构材料，在航空航天等领域得到了广泛应用。由于TaC和HfC具有相似的晶体结构，且Ta和Hf的原子半径接近，能够形成连续的固溶体。研究表明，多元单相固溶体陶瓷Ta
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C比单一陶瓷具有更高的熔点、更低的热膨胀系数和优越的物理性能。相比于传统的二元陶瓷改性体系，多元单相固溶体陶瓷Ta
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C形成了单一的稳定的面心立方结构，不仅兼具了各陶瓷组元(TaC、HfC)原有的优异性能，且在高温下生成的氧化物也能形成连续的固溶体，具有更稳定的晶体结构，能在复合材料表面形成连续致密的保护层。因此Ta
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C是一种极具应用前景的提高C/C复合材料抗烧蚀性能的改性材料。
[0004]CN103722823A报道了一种C/C-SiC-ZrC复合材料的制备方法，该法采用浸渍裂解和反应熔渗两步制备工艺，得到的复合材料具有强度高、耐超高温、抗氧化和抗热震的特点。
[0005]CN109912313A公开了一种新型多元单相超高温陶瓷改性碳/碳复合材料及其制备方法，该方法将沉积有热解碳层的碳/碳复合材料置于铪锆钛混合粉上，通过高温熔渗法制备得到Hf
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Zr
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C多元单相碳化物超高温陶瓷改性的碳/碳复合材料，其中，x＝0.10～0.65，y＝0.3～0.65，z＝0.05～0.25，x+y+z＝1。
[0006]文献1“Ghaffari S A,Faghihi-Sani M A,Golestani-Fard F,et al.Diffusion and solid solution formation between the binary carbides of TaC,HfC and ZrC[J].International Journal of Refractory Metals and Hard Materials,2013,41:180-184.”报道了HfC-TaC二元体系的相变演化，固溶体的形成和扩散行为。研究发现了TaC与HfC形成固溶体的过程以及TaC在HfC中的扩散行为。
[0007]由此说明了，TaC和HfC形成Ta
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C陶瓷固溶体的可行性，并且证明了形成的固溶体结构中以HfC的晶体结构为骨架，TaC在HfC晶体结构中扩散形成的混合对称的间隙固溶体。
[0008]文献2“Yi Z,Dini W,Xiang X,Xun Z,Philip J.W,Wei S,Matthew S,Mingwen B，
Ping X.Ablation-resistant carbide Zr
0.8
Ti
0.2
C
0.74
B
0.26 for oxidizing environments up to 3000℃[J].Nature Communications 2017,8:15836.”报道了利用反应溶渗和包埋法在碳/碳复合材料表面制备出Zr
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多元单相涂层。研究发现由于陶瓷氧化物可以起到对孔隙和裂纹的填充，阻止氧气渗入的作用，以及陶瓷的梯度致密分布，使复合材料展现了优异的抗烧蚀性能。
[0009]由此说明，多元单相超高温固溶体陶瓷可为抗烧蚀耐氧化C/C-UHTCs复合材料的研制提供一种新选择。多元单相超高温固溶体陶瓷是由含两种或多于两种过渡金属元素的简单固溶体碳化物或硼化物等组成，该材料表现出优于传统二元碳化物陶瓷的抗氧化性能。将其引入碳/碳复合材料中，将有望实现更优异的抗烧蚀性能。

技术实现思路

[0010]要解决的技术问题
[0011]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种多元单相超高温陶瓷Ta
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C改性碳/碳复合材料的制备方法，解决的技术问题是为提高碳/碳复合材料的抗氧化、抗烧蚀能力。
[0012]技术方案
[0013]一种多元单相超高温陶瓷Ta
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C改性碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
[0014]步骤1：将摩尔比为1:2～4:1的TaC有机前驱体及HfC有机前驱体进行混合，并与以二甲苯作溶剂配制成浓度为0.5～1.2mol/L的混合溶液，在室温下搅拌至均匀；
[0015]步骤2：将化学气相渗透CVI法制备的多孔碳/碳复合材料置入步骤1制备的混合溶液中真空浸泡0.5-1h后取出，并置于80℃烘箱中烘干7～10h；所述多孔碳/碳复合材料称重后置入；
[0016]步骤3：将步骤2烘干制备的材料放入刚玉坩埚后置于热处理炉中，在Ar保护下将炉温升至1600～2000℃并保温2～3h，保温结束后关闭电源，等待热处理炉自然降温，即得到内部含有超高温陶瓷Ta
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C的多孔碳/碳复合材料；
[0017]步骤4：重复步骤1～步骤3，直至材料增重1％～5％；
[0018]步骤5：将满足增重后的材料置于化学气相渗透炉中进行化学气相渗透CVI渗碳，将炉管抽真空至真空度为-0.09MPa，保压30min后，将化学气相渗透炉在N2保护下升温至900～1300℃的后通入CH4，控制N2和CH4的流量比为4:1，沉积80～120h，沉积后停止通入CH4并关闭电源，等待化学气相渗透炉自然降温，即得到超高温陶瓷Ta
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C改性的碳/碳复合材料，其中x＝0.33～0.8。
[0019]所述步骤3中的Ar流量为200～400ml/本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多元单相超高温陶瓷Ta
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C改性碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将摩尔比为1:2～4:1的TaC有机前驱体及HfC有机前驱体进行混合，并与以二甲苯作溶剂配制成浓度为0.5～1.2mol/L的混合溶液，在室温下搅拌至均匀；步骤2：将化学气相渗透CVI法制备的多孔碳/碳复合材料置入步骤1制备的混合溶液中真空浸泡0.5-1h后取出，并置于80℃烘箱中烘干7～10h；所述多孔碳/碳复合材料称重后置入；步骤3：将步骤2烘干制备的材料放入刚玉坩埚后置于热处理炉中，在Ar保护下将炉温升至1600～2000℃并保温2～3h，保温结束后关闭电源，等待热处理炉自然降温，即得到内部含有超高温陶瓷Ta
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C的多孔碳/碳复合材料；步骤4：重复步骤1～步骤3，直至材料增重1％～5％；步骤5：将满足增重后的材料置于化学气相渗透炉中进行化学气相渗透CVI渗碳，将炉管抽真空至真空度为-0.09MPa，保压30min后，将化学气相渗透炉在N2保护下升温至900～1300℃的后通入CH4，控制N2和CH4的流量比为4:1，沉积80～120h，沉积后停止通入CH4并关闭电源，等待化学气相渗透炉自然降温，即得到超高温陶瓷Ta
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【专利技术属性】
技术研发人员：张雨雷，邵丹玉，付艳芹，陈慧，帅康，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：