部，从而反应形成与热解炭结合紧密的碳化锆；同时由于在溶渗过程中，锆是沿着靠近热 解炭的方向扩散的，这也就形成了很好的过渡带（该过渡带有可能含有碳化锆、铜或碳化 锆、铜、锆），这有利于提高材料的整体性能，除此之外，复合材料中的铜，在高温燃气条件下 工作可汽化蒸发，进而带走基体热量，这有利于进一步提高复合材料的耐烧蚀性能。
[0036] 本发明采用锆_铜混合粉末为熔渗剂，复合材料的制备工艺简单，且能方便地调 节渗剂的比例，这也便于更好地控制成品材料中的物相组成以及各组分的含量。
[0037] 本发明通过控制炭/炭坯体的孔隙度、基体炭的分布、渗剂成分、熔渗工艺等调控 复合材料中的组织组成物和相组成物及其比例。这样大大缩短了制备高密度炭/炭复合材 料的生产周期，同时得到的碳化锆和适量铜可提高复合材料的耐烧蚀性能。
[0038] 本发明所设计的复合材料中，碳化锆具有比碳化钽和碳化铪更高的比弹性模量以 及更低的制备成本，且抗氧化性能优于碳化钽，可与碳化铪媲美，而其密度（6. 73g/cm3)约 为碳化铪密度（12. 2g/cm3)的一半，适合于航天应用中的轻量化需求。除此之外碳化锆具有 高强度、高硬度和良好的高温抗热震性能，其氧化后形成的氧化锆保护膜熔点高达2700°C， 这就确保了所得到成品材料在服役过程中具有更长的使用寿命以及更加优越的耐烧蚀性 能。同时在本发明所设计的复合材料中，碳化锆由于其合理的热膨胀系数，在材料服役过程 中，能很好的调节炭/炭复合坯体与金属层之间的热应力，这就使得即使温度升至铜汽化 时，复合材料也不会会出现大规模的局部开裂，进而导致材料完全失效的情况。
[0039] 本发明通过对复合材料结构的合理设计，通过复合材料中各组分的协同作用，得 到了致密度高、物相组成均匀、组织结构可控、硬度和抗弯强度良好、烧蚀性能优良的炭/ 炭-碳化错-铜复合材料。
[0040] 总之，本发明复合材料结构设计合理，制备工艺简单，便于实现产业化应用。
【附图说明】
[0041] 附图1是实施例2所制备的炭/炭-碳化锆-铜复合材料的SEM形貌；
[0042] 附图2是不同熔渗剂制备的炭/炭-碳化锆-铜复合材料的XRD图谱；
[0043] 从图la中可以看出，碳化锆、铜和/或铜锆合金已均匀填充炭/炭坯体的孔隙，形 成了连续致密的复合材料；从图lb中可以看出，碳化锆部分均匀包覆在由炭纤维和热解炭 组成的"炭相"表面，部分弥散分布于铜和/或铜锆合金中，铜和/或铜锆合金均匀包覆在 "炭相"表面的碳化锆周围；从图lc可看出，碳化锆颗粒镶嵌在铜和/或铜锆合金中。
[0044] 图2中，a曲线为实施例1所制备炭/炭-碳化锆-铜复合材料的XRD图谱，从a 曲线中可以看出复合材料中含有碳元素、碳化锆、铜和锆铜合金；b曲线为实施例2所制备 炭/炭-碳化锆-铜复合材料的XRD图谱，从b曲线中可以看出复合材料中含有碳元素、碳 化锆和铜；c曲线为实施例3所制备炭/炭-碳化锆-铜复合材料的XRD图谱，从c曲线中 可以看出复合材料中含有碳元素、碳化锆、锆和锆铜合金。
【具体实施方式】
[0045] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0046] 实施例所用的原料为聚丙烯腈基炭纤维平纹布+网胎的准三维针刺整体毡，经净 化处理的C3H6、高纯N2、高纯Ar、锆粉（> 99% )、铜粉（> 99% )以及其他化学试剂（分 析纯）等。
[0047] 实施例1 :
[0048] (1)以聚丙烯腈基炭纤维针刺整体毡作为预制体（密度为0.4g/cm3)，在高纯队载 气、C3H6碳源气体、850°C的沉积温度下采用CVI增密及高温热处理（Ar保护气氛、2000°C、 51〇工艺制备孔隙度约50%的炭/炭复合坯体（密度为1.08/(^ 3);
[0049] (2)配制锆-铜混合粉，其中锆粉的质量百分比为50% ;
[0050] (3)将步骤（1)的炭/炭复合坯体包埋在步骤（2)的混合粉中，在1200°C的真空 条件（真空度小于等于l(T2atm)下熔渗处理4h，反应后得到炭/炭-碳化锆-铜复合材料； 其组成质量比为，炭/炭复合还体：碳化错：铜和/或铜错合金=32. 28:23. 1:44. 62。
[0051] (4)将炭/炭-碳化锆-铜复合材料加工成①30*10mm的圆柱，在3000°C的条件 下进行氧-乙炔烧蚀实验，烧蚀时间60s;
[0052] (5)测定炭/炭-碳化错-铜复合材料的性能指标，如下表所示：
[0053]
【主权项】
1. 一种耐烧蚀炭/炭-碳化错-铜复合材料；其特征在于， 所述复合材料由炭/炭复合坯体、碳化锆以及铜和/或铜锆合金按质量比，炭/炭复合 坯体：碳化锆：铜和/或铜锆合金=30~45:20~45:50~10组成。
2. 根据权利要求1所述的一种耐烧蚀炭/炭-碳化锆-铜复合材料；其特征在于： 所述炭/炭复合还体由炭纤维和热解炭按质量比，炭纤维：热解炭=30~60:70~40 组成；所述热解炭均匀包覆在炭纤维表面。
3. 根据权利要求1所述的一种耐烧蚀炭/炭-碳化锆-铜复合材料；其特征在于： 所述碳化锆部分均匀包覆在热解炭的表面，部分弥散分布于铜和/或铜锆合金中；所 述铜和/或铜锆合金均匀包覆在热解炭表面的碳化锆周围； 所述耐烧蚀炭/炭-碳化锆-铜复合材料中，锆元素与铜元素的质量比为30~ 90:70 ~10〇
4. 一种制备如权利要求1-3任意一项所述的耐烧蚀炭/炭-碳化锆-铜复合材料的方 法；其特征在于，包括下述步骤： 步骤一 以炭纤维预制体为原料，通过气相沉积热解炭，得到具有连通孔隙的炭/炭复合多孔 坯体； 步骤二 将步骤一所得炭/炭复合多孔坯体置于由锆和铜组成的混合粉末中，在真空度小于等 于l(T2atm的条件下，于1200~1600°C熔渗处理，得到所述耐烧蚀炭/炭-碳化锆-铜复 合材料；所述由锆和铜组成的混合粉末中，锆与铜的质量比为35~85:65~15。
5. 根据权利要求4所述的一种制备耐烧蚀炭/炭-碳化锆-铜复合材料的方法，其特 征在于：步骤一中所述炭纤维预制体为聚丙烯腈基炭纤维针刺整体毡；所述聚丙烯腈基炭 纤维针刺整体毡的密度为0. 4~0. 6g/cm3。
6. 根据权利要求4所述的一种制备耐烧蚀炭/炭-碳化锆-铜复合材料的方法，其特 征在于，步骤一中气相沉积热解炭的条件为： 载气N2; 碳源气体C3H6; 沉积温度850~1100°C。
7. 根据权利要求6所述的一种制备耐烧蚀炭/炭-碳化锆-铜复合材料的方法，其特 征在于：炭纤维预制体经气相沉积后再进行高温热处理；所述高温热处理的条件为： 保护气体Ar ; 热处理温度2000~2500 °C ; 时间1-5小时。
8. 根据权利要求4所述的一种制备耐烧蚀炭/炭-碳化锆-铜复合材料的方法，其特 征在于，步骤一所得炭/炭复合多孔坯体的孔隙率为20~50% ;密度为I. 0~I. 6g/cm3。
9. 根据权利要求4所述的一种制备耐烧蚀炭/炭-碳化锆-铜复合材料的方法，其特 征在于，步骤二中，所述由锆和铜组成的混合粉末是由锆粉和铜粉组成；所述锆粉的纯度大 于等于99% ;所述铜粉的纯度大于等于99%。
10. 根据权利要求4所述的一种制备耐烧蚀炭/炭-碳化锆-铜复合材料的方法，其特 征在于，步骤二中，将步骤一所得炭/炭复合多孔坯体置于由锆和铜组成的混合粉末中后， 以3~6°C /min的升温速率升温至1200~1600°C。
【专利摘要】本发明公开了一种耐烧蚀炭/炭-碳化锆-铜复合材料的制备方法，用聚丙烯腈基炭纤维针刺整体毡为预制体，采用化学气相渗透增密及高温热处理工艺制备得到多孔的炭/炭复合坯体，然后将锆-铜混合粉末熔融渗入炭/炭复合坯体中，通过反应熔渗制备炭/炭-碳化锆-铜复合材料。测定炭/炭-碳化锆-铜复合材料的性能指标。本发明采用锆、铜混合粉末，能在相对较低的熔渗温度制备出孔隙率低、物相组成均匀、硬度和抗弯强度良好、烧蚀性能优良的炭/炭-碳化锆-铜复合材料。
【IPC分类】C23C16-26, C22C1-10, B22D23-04
【公开号】CN104831107
【申请号】CN201510162852
【发明人】冉丽萍, 吴皇, 周文艳, 庞伟林, 杨凌云, 张仲灵, 葛毅成, 彭可, 易茂中
【申请人】中南大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年4月8日