本发明专利技术公开了一种SiC-TaC涂层/基体协同改性C/C复合材料及其制备方法。该复合材料分为两部分，渗入到C/C复合材料表面以下的为基体改性部分，厚度为0.1～10mm，且碳化物在C/C复合材料中呈梯度分布，沉积在碳材料表面的为涂层部分，厚度为10～300μm。制备该复合材料的方法是：将密度为0.80g/cm3～1.60g/cm3的C/C坯体切割成圆环状或板状，超声波清洗干燥后，放置于多功能CVD炉中，通过控制沉积参数，使碳化物沉积在C/C坯体表层和表面，利用热解炭使坯体进一步致密化，获得高致密度的涂层/基体协同改性C/C复合材料。本发明专利技术的主要优点是碳化物渗入了C/C复合材料表层，提高了基体的热膨胀系数，改善了界面结合状态，碳化物在涂层与基体之间形成连续过渡，涂层/基体之间冶金结合。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种SiC-TaC涂层/基体协同改性C/C复合材料及其化学气相渗透/ 化学气相沉积制备方法，主要用于有高温、高硬、抗氧化、抗烧蚀等要求的功能结构部件。
技术介绍
C/C复合材料具有密度小、比强度大、抗热震、抗蠕变、在1000-2200°C之间强度随温度升高而升高等特点，已在战略导弹弹头、飞船返回舱、航天飞机机翼前缘等多种飞行器中得到应用。但C/C复合材料在高温、有氧和高速气流冲刷条件下极易被氧化和烧蚀。氧化烧蚀将使C/C复合材料的密度降低、性能恶化、使用功能丧失，导致其应用受到非常大的限制。因此，必须提高C/C复合材料的抗氧化抗烧蚀性能，扩大其应用范围。碳化钽(TaC)熔点高达3880 4000°C，是耐温最高的几种化合物之一，具有优异的高温力学性能、抗高速气流/粒子流冲刷性能和耐腐蚀性能，与C/C复合材料有良好的化学相容性及物理相容性，是提高C/C复合材料抗烧蚀性能的理想材料。碳化硅(SiC)具有优异的抗高温氧化性能，可在1600°c的空气中使用，与TaC复合后可改善TaC的高温抗氧化性能；同时，其热膨胀系数介于TaC和C之间，可调节TaC与C材料的热相容性。将SiC-TaC添加到C/C复合材料的方法主要涉及基体改性和涂层两种。崔红等人将纯度为99. 99 %的Tii2O5粉末均勻分布于树脂中，浸渍C/C复合材料，并通过固化、炭化、烧结等工序制备出了密度达1. 90g/cm3的TaC基体改性C/C复合材料(《西北工业大学学报》2000年第4期)。王俊山等人采用混合编织的方法将Ta丝引入到预制体中，然后用传统高压浸渍/炭化的方法获得了含TaC的C/C复合材料(《宇航材料工艺》 2006年第2期)。黄海明等人在复合材料中加入Ta纤维，通过与基体碳反应生成TaC，制备了 C/TaC/C复合材料(《复合材料学报》2004年第4期)。徐永东等人采用液相先驱体法， 将TaC引入密度约0. 97g/cm3的C/C坯体内部，制备了 TaC基体改性C/C多元抗烧蚀材料 (《固体火箭技术》2007年第6期)。汤素芳等人采用粉末渗透技术将碳化物渗入炭纤维预制体，经高温定形，并在均热炉内沉积热解炭后制备了 C/C-SiC-ZrB2-TaC复合材料(中国科学院研究生院博士学位论文《C/C和C/C-UHTC复合材料烧蚀机理研究》2006年)。但上述基体改性方法存在以下问题，碳化物呈颗粒状、与炭基体的结合弱、添加量过多时会损伤炭纤维；同时，碳化物的含量及分布难以控制，在烧蚀过程中，炭基体直接暴露于烧蚀环境中，被优先烧蚀，无法对炭基体形成有效保护。涂层技术将SiC-TaC涂覆在炭材料表面，能够防止C/C复合材料中的炭纤维和炭基体直接暴露于烧蚀环境中。何捍卫等人采用溶胶-凝胶技术在C/C复合材料表面制备了 TaC涂层，但该法不能保证涂层纯度，需严格控制胶体的化学稳定性和反应性(《稀有金属材料与工程》2004年第5期)。Z. J. Dong等人利用熔盐法在炭纤维表面得到了均勻的TaC 涂层，但当涂层厚度增加到220nm，出现裂纹；当沉积温度为1100时，涂层厚度达到340nm， 出现剥落现象(《Appl Surf ki》2008年第18期)。中南大学利用化学气相沉积(CVD)法在C/C复合材料表面制备了 C-TaC涂层、含纳米尺寸孔的TaC涂层以及TaC/SiC复合涂层，所制备复合涂层结构致密，与基体间具有良好的机械相容性；但仍存在涂层/基体热膨胀系数不匹配，当涂层过厚时，容易产生微裂纹，导致涂层剥落等问题(中南大学博士论文 《C/C抗烧蚀TaC、TaC/SiC涂层的制备及其抗烧蚀机理》2006年)。结合基体改性和涂层技术的优点，中南大学还专利技术了一种化学气相渗透/沉积工艺制造双元碳化物共沉积纤维增强复合材料的制备方法(申请号200610032336. 1)。该方法主要采用化学气相渗透(CVI) 方法，在C/C复合材料中炭纤维/炭基体界面处引入层状SiC-TaC界面。该法所制备复合材料能有效提高陶瓷相与炭纤维及炭基体的界面结合强度，增加复合材料的承载能力，但该法所引入的SiC-TaC陶瓷相也无法对炭基体形成有效保护。
技术实现思路
本专利技术所要解决的第一个技术问题是提供一种能对C/C复合材料形成有效保护的SiC-TaC涂层/基体协同改性C/C复合材料。本专利技术所要解决的第二个技术问题是提供一种解决TaC多元复合涂层与C/C基体之间的化学和机械相容性问题的SiC-TaC涂层/基体协同改性C/C复合材料的制备方法。为了解决上述第一个技术问题，本专利技术提供的SiC-TaC涂层/基体协同改性C/C 复合材料，SiC-TaC在该复合材料中的分布分为两部分，渗入到C/C复合材料表层的为基体改性层，沉积在C/C复合材料表面的为涂层。所述的基体改性层的厚度为0. 1 10mm，所述的涂层的厚度为10 300 μ m。所述SiC-TaC在所述的基体改性层中呈梯度分布，形成梯度分布SiC-TaC基体改性层，该梯度结构保证在与涂层连结的部位含有较多的SiC-TaC，而在不与涂层连结的部位 SiC-TaC含量减少。所述的涂层为SiC-TaC共沉积复合涂层或SiC-TaC多层复合涂层。所述的SiC-TaC共沉积复合涂层的TaC、SiC的含量沿涂层厚度方向上为常数，TaC 与SiC摩尔比例在0. 15 7范围内，共沉积复合涂层的厚度为10-300 μ m。所述的SiC-TaC多层复合涂层的结构为SiC/TaC/. . . . SiC/TaC多层复合结构，涂层由7-21层子涂层组成，子涂层的厚度为9 μ m-20 μ m。所述的SiC-TaC在C/C基体表层和涂层中形成连续梯度过渡，涂层与基体呈冶金纟口口。为了解决上述第二个技术问题，本专利技术提供的制备SiC-TaC涂层/基体协同改性 C/C复合材料的方法，利用CVI/CVD工艺的可设计性，一次性完成SiC-TaC基体改性层及 SiC-TaC涂层的制备，分为以下几个步骤(a)将密度为0. 80g/cm3 1. 60g/cm3的C/C坯体切割成圆环状或板状，清洗干燥后，称重；(b)将C/C坯体放置于多功能化学气相沉积炉中，抽真空至50 以下，升温至设定的温度900 950°C后保温，(c)交替通入制备SiC和TaC的SiCH3Cl3-H2-Ar和 TaCl5-C3H6-H2-Ar反应气体体系数次，并确保反应气体从涂层面强制扩散进入低密度C/C 坯体；(d)控制沉积压力以及气体浓度配比，使SiC、TaC沉积到C/C坯体表层，形成梯度分布SiC-TaC基体改性层；(e)将多功能化学气相沉积炉的反应温度提高到1200°C -1400°C， 使SiC-TaC仅沉积在C/C坯体表面，同时通入或交替通入制备SiC和TaC涂层的SiCH3Cl3-H2-Ar和TaCl5-C3H6-H2-Ar反应气体体系，形成SiC-TaC共沉积涂层或7_21层的 SiC-TaC多层复合涂层；(f)打磨C/C坯体的非涂层面，清洗、干燥后，利用定向流动热梯度化学气相渗透工艺及树脂浸渍/炭化工艺将含基体改性/涂层碳化物的坯体进一步致密化，获得高致密度的SiC-TaC涂层/基体协同改性C/C复合材料。上述步骤(e)中炉压保持在1800 2200本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种ＳｉＣ－ＴａＣ涂层／基体协同改性Ｃ／Ｃ复合材料，其特征在于：ＳｉＣ－ＴａＣ在该复合材料中的分布分为两部分，渗入到Ｃ／Ｃ复合材料表层的为基体改性层，沉积在Ｃ／Ｃ复合材料表面的为涂层。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：熊翔，陈招科，李国栋，孙威，王雅雷，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：43
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