本发明涉及轻质耐烧蚀复合材料领域。
背景技术：
耐烧蚀材料是国防、航天航空领域重要的工程材料，其作用是受热部件在高温和高速气流冲刷条件下，在工作时间内能够维持气动外形使飞行器正常工作。随着航空航天技术的不断发展对耐烧蚀材料提出了越来越苛刻的要求。传统的耐烧蚀材料主要包括难熔金属及其复合材料、陶瓷基复合材料材料、树脂基复合材料、钨渗铜和碳/碳复合材料等。其耐烧蚀机理这些材料各有特色。难熔金属如钨、钼、铌及其复合材料主要是热沉吸热，但密度高，不满足飞行器部件的轻质要求；陶瓷基复合材料主要是辐射防热机理，但陶瓷耐热冲击性差，机械加工困难；树脂基复合材料一般通过热解吸收外界热量，因而烧蚀率大；钨渗铜材料的防热机制是发汗防热和热沉防热；碳/碳及其改性的复合材料主要是辐射和烧蚀式防热机理，但其制备工艺复杂，成本很高。在氧乙炔烧蚀条件下，烧蚀150s，基体材料的线烧蚀率的数量级为10-2um/s。
技术实现要素：
本发明要解决现有制备工艺复杂，成本高的技术问题，而提供一种耗散防热复合材料及其制备方法。
一种耗散防热复合材料，由碳材料作为基体，在真空高温条件下，将基体浸入熔融的浸渗剂中，利用基体中微孔的毛细管力使浸渗剂浸入到基体中形成复合材料。
一种耗散防热复合材料的制备方法，具体按以下步骤进行：
一、按质量份数称取6～9份的硅和1～5份的金属，混合均匀，得到浸渗剂；
二、将多孔基体加工成构件，超声清洗，然后烘干；
三、将石墨坩埚放入可倾转的中频炉的感应线圈中，采用石英砂固定，在石墨坩埚内壁涂覆bn；
四、将步骤二处理的构件与步骤一得到的浸渗剂放入步骤三处理的石墨坩埚中；在真空条件下，控制升温速率为30～100℃/min，升温至反应浸渗温度为1400～2200℃，耗散剂熔融后充入氩气至压力为0.2～0.5大气压；然后保持温度浸渗20～30min，倾转石墨坩埚将坩埚内剩余的耗散剂倒出，得到耗散防热复合材料。
本发明的有益效果是：本发明传统材料防热机理，提出了一种耗散防热的新机理。耗散防热复合材料的防热机理是在多孔的石墨或低密度碳碳的基体中，渗入吉布斯氧化自由能低于基体的物质作为耗散剂，在高温烧蚀过程中，耗散剂液化、气化吸收一定的气动热，形成热耗散；耗散剂优先于基体与边界层的氧反应，消耗边界层的氧形成氧耗散；同时，耗散剂氧化生成的液态陶瓷可在基体表面形成保护层，进一步提高基体的耐烧蚀性能。在高压及高速粒子流冲刷条件下，液态的陶瓷层会不断被冲刷掉，同时，基体内部的耗散剂不断的溢出消耗热和氧以及形成新的陶瓷层，在一定时间内形成非平衡态热力学的耗散剂结构。本发明目的是提供一种能够在高温、高压和高速粒子流冲刷条件下烧蚀率低、气动外形变化小、可加工性好并且成本低廉的防热复合材料。耗散防热复合材料是一种新型的耐烧蚀材料，可以满足高超音速飞行器翼前缘、火箭发动机燃烧室、导弹转向孔板和燃气舵等构件的使用需求。
本发明所涉及的轻质耐烧蚀的耗散防热复合材料制备工艺简单、周期短、复合材料可进行电加工和机械加工，制造成本低、耐烧蚀性能好。
本发明制备的耐烧蚀复合材料用于制造固体火箭发动机喷管的喉衬、燃气舵，也可用于制造高超音速飞行器的端头帽、翼前缘、尾舵和用于制造导弹的转向孔板等构件。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种耗散防热复合材料，由碳材料作为基体，在真空高温条件下，将基体浸入熔融的浸渗剂中，利用基体中微孔的毛细管力使浸渗剂浸入到基体中形成复合材料。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：基体为石墨或低密度c/c复合材料。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：浸渗剂按质量份数由6～9份的硅和1～5份的金属制备，其中金属为钼、锆和铝中的一种或多种的混合。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种耗散防热复合材料的制备方法，具体按以下步骤进行：
一、按质量份数称取6～9份的硅和1～5份的金属，混合均匀，得到浸渗剂；
二、将多孔基体加工成构件，超声清洗，然后烘干；
三、将石墨坩埚放入可倾转的中频炉的感应线圈中，采用石英砂固定，在石墨坩埚内壁涂覆bn；
四、将步骤二处理的构件与步骤一得到的浸渗剂放入步骤三处理的石墨坩埚中；在真空条件下，控制升温速率为30～100℃/min，升温至反应浸渗温度为1400～2200℃，耗散剂熔融后充入氩气至压力为0.2～0.5大气压；然后保持温度浸渗20～30min，倾转石墨坩埚将坩埚内剩余的耗散剂倒出，得到耗散防热复合材料。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤一中金属为钼、锆和铝中的一种或多种的混合。其它与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同的是：步骤二中多孔基体的孔隙率为15～40％。其它与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是：步骤二中多孔基体为石墨或低密度c/c复合材料。其它与具体实施方式四至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一不同的是：步骤二中烘干温度为80～100℃，烘干时间为2～4h。其它与具体实施方式四至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四至八之一不同的是：步骤一中浸渗剂为6～9份硅和1～4份金属钼，步骤二中基体材料为高纯石墨，密度为1.65～1.82g/cm3，步骤四中反应浸渗温度为1800～2000℃。其它与具体实施方式四至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四至九之一不同的是：步骤一中浸渗剂为6～7份硅、1～3份金属钼和1～2份金属锆，步骤二中基体材料为c/c复合材料，密度为1.6～1.8g/cm3，步骤四中反应浸渗温度为1900～2200℃。其它与具体实施方式四至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式四至十之一不同的是：步骤一中浸渗剂为6～8份硅和2～4份金属铝，步骤四中反应浸渗温度为1400～1700℃。其它与具体实施方式四至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式四至十一之一不同的是：步骤一中浸渗剂为6～7份硅、1～3份金属钼和1～2份金属铝，步骤四中反应浸渗温度为1700～1900℃。其它与具体实施方式四至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式四至十二之一不同的是：步骤一中浸渗剂为6～9份硅和1～4份金属锆，步骤二中基体材料为高纯石墨，密度为1.65～1.82g/cm3，步骤四中反应浸渗温度为1700～1950℃。其它与具体实施方式四至十二之一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式四至十三之一不同的是：步骤一中浸渗剂为6～7份硅、1～3份金属锆和1～2份金属铝，步骤四中反应浸渗温度为1700～1900℃。其它与具体实施方式四至十三之一相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式四至十四之一不同的是：步骤一中浸渗剂为6～9份硅和1～4份金属锆，步骤二中基体材料为c/c复合材料，密度为1.6～1.8g/cm3，步骤四中反应浸渗温度为1700～1950℃。其它与具体实施方式四至十四之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种耗散防热复合材料的制备方法，具体按以下步骤进行：
一、按质量份数称取6份的硅、2份金属钼和2份金属锆，混合均匀，得到浸渗剂；
二、将孔隙率为25％多孔基体加工成构件，超声清洗，然后烘干；基体材料为c/c复合材料，密度为1.7g/cm3；烘干温度为80℃，烘干时间为4h；
三、将石墨坩埚放入可倾转的中频炉的感应线圈中，采用石英砂固定，在石墨坩埚内壁涂覆bn；
四、将步骤二处理的构件与步骤一得到的浸渗剂放入步骤三处理的石墨坩埚中；在真空条件下，控制升温速率为80℃/min，升温至反应浸渗温度为2200℃，耗散剂熔融后充入氩气至压力为0.5大气压；然后保持温度浸渗30min，倾转石墨坩埚将坩埚内剩余的耗散剂倒出，得到耗散防热复合材料。
本实施例制备的耗散防热复合材料弯曲强度由原来基体的136mpa提高到264mpa，提高了94％；在氧乙炔烧蚀条件下，烧蚀150s，线烧蚀率由原来基体1.5×10-2um/s降低到1.6×10-3um/s，提高了一个数量级。
实施例二：
本实施例一种耗散防热复合材料的制备方法，具体按以下步骤进行：
一、按质量份数称取8份的硅和4份金属铝，混合均匀，得到浸渗剂；
二、将孔隙率为15％多孔基体加工成构件，超声清洗，然后烘干；基体材料为高纯石墨，密度为1.75g/cm3，；烘干温度为80℃，烘干时间为4h；
三、将石墨坩埚放入可倾转的中频炉的感应线圈中，采用石英砂固定，在石墨坩埚内壁涂覆bn；
四、将步骤二处理的构件与步骤一得到的浸渗剂放入步骤三处理的石墨坩埚中；在真空条件下，控制升温速率为80℃/min，升温至反应浸渗温度为1500℃，耗散剂熔融后充入氩气至压力为0.5大气压；然后保持温度浸渗30min，倾转石墨坩埚将坩埚内剩余的耗散剂倒出，得到耗散防热复合材料。
本实施例制备的耗散防热复合材料弯曲强度由原来基体的61.7mpa提高到122.3mpa，提高了98％；在氧乙炔烧蚀条件下，烧蚀150s，线烧蚀率由原来基体5.6×10-2um/s降低2.5×10-3um/s，提高了一个数量级。