一种陶瓷基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于陶瓷基复合材料技术领域，尤其涉及一种陶瓷基复合材料及其制备方法

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于陶瓷基复合材料
，尤其涉及一种陶瓷基复合材料及其制备方法
。

技术介绍

[0002]空天飞行器在大气层或近空间进行高速飞行时常常需要面对极端复杂的服役环境，例如高温氧化
、
剧烈烧蚀
、
机械剥离
、
复杂载荷等
。
基于
Ti、Zr、Hf
等元素的超高温陶瓷基复合材料常常被用来制备空天飞行器的热防护系统
。
超高温陶瓷中，由于
HfB2氧化过程中会产生熔融硼玻璃相，且
HfO2拥有高达
2900℃
的熔点，因此其常被用作抗烧蚀基体
。ZrC
由于与碳纤维不存在碳热还原反应且密度稍低，常被用作超高温热结构基体
。
不仅如此，
MC
‑
MB2的材料体系也广泛被用于进一步强化超高温陶瓷的力学性能与抗烧蚀性能
。
然而超高温陶瓷本身脆性大
、
致密化烧结难度大且密度高，因此，超高温陶瓷基复合材料难以达到轻质高强的服役要求
。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术提供了一种陶瓷基复合材料及其制备方法，本专利技术提供的陶瓷基复合材料具有轻质高强的特点
。
[0004]为了实现以上目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0005]本专利技术提供了一种陶瓷基复合材料，包括
n/>层预浸料；每层预浸料包括增强体和固定于所述增强体上的陶瓷基复合单元；所述陶瓷基复合单元包括
m
层陶瓷基复合层；所述
n≥4
；
[0006]所述陶瓷基复合层的组分包括聚硅硼氮烷基体和陶瓷填料；所述陶瓷填料包括
HfB2和
/
或
ZrC
；
[0007]所述陶瓷基复合材料中，沿着厚度方向一侧到另一侧陶瓷填料呈现梯度变化，第一层至第
a
层，
HfB2在陶瓷基复合层中的质量百分比按照
30
％～0％梯度下降，
ZrC
在陶瓷基复合层中的质量百分比按照0～
30
％梯度升高；
[0008]第
a
层至第
b
层
HfB2在陶瓷基复合层中的质量百分比为0％；
ZrC
在陶瓷基复合层中的质量百分比按照
30
～0％梯度降低；
[0009]第
b
层至第
m
层
HfB2在陶瓷基复合层中的质量百分比为0％；
ZrC
在陶瓷基复合层中的质量百分比为0％；
[0010]所述
a
的的取值范围为4～6；所述
b
和
a
的差值的取值范围为3～4；所述
m
和
b
的差值的取值范围为1～
3。
[0011]优选地，所述
HfB2和
ZrC
的粒径独立地为
100
～
3000nm。
[0012]优选地，所述陶瓷基复合材料中，相邻两层陶瓷基复合层中的单种陶瓷填料的掺杂质量差不超过
10
％
。
[0013]本专利技术还提供了上述所述陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
和
/
或
ZrC
；所述陶瓷基复合材料中，沿着厚度方向一侧到另一侧陶瓷填料呈现梯度变化，第一层至第
a
层，
HfB2在陶瓷基复合层中的质量百分比按照
30
％～0％梯度下降，
ZrC
在陶瓷基复合层中的质量百分比按照0～
30
％梯度升高；第
a
层至第
b
层
HfB2在陶瓷基复合层中的质量百分比为0％；
ZrC
在陶瓷基复合层中的质量百分比按照
30
～0％梯度降低；第
b
层至第
m
层
HfB2在陶瓷基复合层中的质量百分比为0％；
ZrC
在陶瓷基复合层中的质量百分比为0％；所述
a
的的取值范围为4～6；所述
b
和
a
的差值的取值范围为3～4；所述
m
和
b
的差值的取值范围为1～
3。
本专利技术中的预浸料层陶瓷填料的组分
、
含量梯度分布，通过陶瓷组分的梯度分布缓解了各层之间的热膨胀系数不匹配
。
外层
(
第一层
)
的高熔点
HfB2及次外层的
HfB2‑
ZrC
协同式抗烧蚀组分为复合材料提供了优异的抗烧蚀性能并延缓了基体氧化；次内层的
ZrC
‑
SiBCN
超高温基体不仅拥有卓越的高温力学性能并进一步降低了最内层
(
第
m
层
)
热结构的服役温度；进一步的，在较低温度下服役的内层
C/SiBCN
热结构充分展现了其比强度高的优势
。
因此，本专利技术提供的陶瓷基复合材料不仅能实现外层抗氧化耐烧蚀，同时能够实现内层材料轻质高强耐高温
。
[0039]实施例的数据表明：陶瓷基复合材料的密度约为
1.8
～
2g/cm3，弯曲强度
250
～
350MPa
，
2200℃
火焰温度下线烧蚀率低至
0.76
×
10
‑3～
2.1
×
10
‑3mm/s。
具体实施方式
[0040]本专利技术提供了一种陶瓷基复合材料，包括
n
层预浸料；每层预浸料包括增强体和固定于所述增强体上的陶瓷基复合单元；所述陶瓷基复合单元包括
m
层陶瓷基复合层；所述
n≥4
；
[0041]所述陶瓷基复合层的组分包括聚硅硼氮烷基体和陶瓷填料；所述陶瓷填料包括
HfB2和
/
或
ZrC
；
[0042]所述陶瓷基复合材料中，沿着厚度方向一侧到另一侧陶瓷填料呈现梯度变化，第一层至第
a
层，
HfB2在陶瓷基复合层中的质量百分比按照
30
％～0％梯度下降，
ZrC
在陶瓷基复合层中的质量百分比按照0～
30
％梯度升高；
[0043]第
a
层至第
b
层
HfB2在陶瓷基复合层中的质量百分比为0％；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种陶瓷基复合材料，其特征在于，包括
n
层预浸料；每层预浸料包括增强体和固定于所述增强体上的陶瓷基复合单元；所述陶瓷基复合单元包括
m
层陶瓷基复合层；所述
n≥4
；所述陶瓷基复合层的组分包括聚硅硼氮烷基体和陶瓷填料；所述陶瓷填料包括
HfB2和
/
或
ZrC
；所述陶瓷基复合材料中，沿着厚度方向一侧到另一侧陶瓷填料呈现梯度变化，第一层至第
a
层，
HfB2在陶瓷基复合层中的质量百分比按照
30
％～0％梯度下降，
ZrC
在陶瓷基复合层中的质量百分比按照0～
30
％梯度升高；第
a
层至第
b
层
HfB2在陶瓷基复合层中的质量百分比为0％；
ZrC
在陶瓷基复合层中的质量百分比按照
30
～0％梯度降低；第
b
层至第
m
层
HfB2在陶瓷基复合层中的质量百分比为0％；
ZrC
在陶瓷基复合层中的质量百分比为0％；所述
a
的的取值范围为4～6；所述
b
和
a
的差值的取值范围为3～4；所述
m
和
b
的差值的取值范围为1～
3。2.
根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料，其特征在于，所述
HfB2和
ZrC
的粒径独立地为
100
～
3000nm。3.
根据权利要求1或2所述的陶瓷基复合材料，其特征在于，所述陶瓷基复合材料中，相邻两层陶瓷基复合层中的单种陶瓷填料的掺杂质量差不超过
10
％
。4.
权利要求1～3任一项所述陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将不同质量的陶瓷颗粒分散至聚硅硼氮烷基体中，得到含梯度浓度陶瓷填料的浆料；将含梯度浓度陶瓷填料的浆料分别成膜，得到含梯度浓度陶瓷填料的胶膜；将增强体和
m
层含梯度浓度陶瓷填料的胶膜进行复合，得到
n
个预浸料；将所述
n
个预浸料铺层后，依次进行第一固化和第一裂解，得到复合材料坯体；铺层方向为：沿着厚度方向，第一层至第
a
层，
HfB2在陶瓷基复合层中的质量百分比按照
30
％～0％梯度下降，
ZrC
在陶瓷基复合层中的质量百分比按照0～
30
％梯度升高；第
a
层至第
b
层
HfB2在陶瓷基复合层中的质量百分比为0％；
ZrC
在陶瓷基复合层中的质量百分比按照
30
～0％梯度降低；第
b
层至第
m
层
HfB2在陶瓷基复合层中的质量百分比为0％；
ZrC
在陶瓷基复合层中的质量百分比为0％；所述
a
的的取值范围为4～6；所述
b
和
a
的差值的取值范围为3～4；所述
m
和
b
的差值的取值范围为1～3；利用低粘度聚硅硼氮烷对复合材料坯体进行浸渍后，依次进行第二固化和第二裂解；低粘度聚硼硅氮烷的常温粘度...

【专利技术属性】
技术研发人员：张中伟，李玮洁，张轶竣，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：