，以三维穿刺碳纤维布为增强体。该碳纤维增强碳化锆复合材料中，三维穿刺碳纤维布的体积分数为45%，ZrC体积分数为30.7%。碳纤维增强碳化锆复合材料的密度为2.21g/cm3，开孔率为6.2%。
[0068]—种上述本实施例的碳纤维增强碳化锆复合材料的制备方法，包括下列步骤:
(1)预制件成型:将碳纤维布叠层，以穿刺的方式制得碳纤维预制件。
[0069](2)纤维涂层的制备:采用化学气相沉积工艺在步骤(1)中制得的碳纤维预制件的纤维表面沉积裂解碳涂层，具体是以丙烯为先驱体，采用化学气相沉积工艺在1000°C沉积15h，在步骤(1)的碳纤维预制件的纤维表面制备厚度为0.20 μπι的裂解碳涂层，得到沉积有裂解碳涂层的碳纤维预制件。
[0070](3)真空浸渍锆源:将步骤(2)中制得的沉积有裂解碳涂层的碳纤维预制件置于浸渍罐中，抽真空至真空度小于lOOPa，将50wt%的醋酸锆-水溶液加入浸渍罐中，使碳纤维预制件在溶液中真空浸渍4小时得到浸渍有锆源的碳纤维预制件。
[0071](4)交联固化锆源:取出步骤(3)中浸渍有锆源的碳纤维预制件，放入烘箱内交联固化，固化机制为先在150°C下保温2小时，然后升温至260°C固化3小时，得到固化有锆源的碳纤维预制件。
[0072](5)真空浸渍碳源:将步骤(4)中固化有锆源的碳纤维预制件置于浸渍罐中，抽真空至真空度小于lOOPa，将20wt%的沥青-喹啉溶液加入浸渍罐中，使纤维预制件在溶液中真空浸渍4小时得到浸渍有碳源的碳纤维预制件。
[0073](6)交联固化碳源:取出步骤(5)中浸渍有碳源碳纤维预制件，放入烘箱内交联固化，固化机制为先在150°C下保温1小时，然后升温至200°C固化1小时，得到固化有碳源的碳纤维预制件。
[0074](7)致密化:重复真空浸渍锆源-交联固化锆源-真空浸渍碳源-交联固化碳源过程4个周期得到致密化的碳纤维预制件。该致密化的碳纤维预制件，相比于上一周期致密化的碳纤维预制件，增重率小于1%。
[0075](8)高温反应:将步骤(7)中致密化后的碳纤维预制件在高纯氩气氛围下，以1550°C高温反应1小时得到碳纤维增强碳化锆复合材料。
[0076](9)再致密化:重复致密化-高温反应过程重复3个周期，得到开孔率为6.2%的碳纤维增强碳化锆复合材料。
[0077]经测试，本实施例制备的碳纤维增强碳化锆复合材料的密度为2.21g/cm3，开孔率为6.2%，弯曲强度为245MPa，质量烧蚀率为0.0083g/s，线烧蚀率为0.0077mm/s。。
[0078]对比例1
一种碳纤维增强碳化锆复合材料，该碳纤维增强碳化锆复合材料是以碳化锆为基体，以三维穿刺碳纤维布为增强体。该碳纤维增强碳化锆复合材料中，三维穿刺碳纤维布的体积分数为45%，ZrC体积分数为27.1%。碳纤维增强碳化锆复合材料的密度为2.08g/cm3，开孔率为9.3%ο
[0079]—种上述本对比例的碳纤维增强碳化锆复合材料，使用二乙烯基苯和锆酸丁酯混合液作为ZrC先驱体，其制备方法包括下列步骤:
(1)配制ZrC先驱体:将质量比为0.66: 1的二乙烯基苯和锆酸丁酯混合，搅拌均匀，得到ZrC先驱体溶液。
[0080](2)预制件成型:将碳纤维布叠层，以穿刺的方式制得碳纤维预制件。
[0081](3)纤维涂层的制备:采用化学气相沉积工艺在步骤(2)中制得的碳纤维预制件的纤维表面沉积裂解碳涂层，具体是以丙烯为先驱体，采用化学气相沉积工艺在1000°C沉积15h，制得厚度为0.20 μ m的裂解碳涂层。
[0082](4)真空浸渍ZrC先驱体溶液:将步骤(3)中制得的沉积有裂解碳涂层的碳纤维预制件置于浸渍罐中，抽真空至真空度小于100Pa，将ZrC先驱体溶液加入浸渍罐中，使碳纤维预制件在溶液中真空浸渍4小时。
[0083](5)交联固化:取出步骤(4)中真空浸渍后的碳纤维预制件，放入烘箱内交联固化，固化机制为在150°C下保温2小时。
[0084](6)热解:将步骤(5)中交联固化后的碳纤维预制件于流动氮气氛围下700°C保温
lho
[0085](7)致密化:重复真空浸渍ZrC先驱体溶液-交联固化-热解过程7个周期。
[0086](8)高温反应:将步骤(7)中致密化后的碳纤维预制件在高纯氩气氛围下1550°C高温反应1小时。
[0087](9)再致密化:重复致密化-高温反应过程3个周期，得到碳纤维增强碳化锆复合材料。
[0088]经测试，对比例1制备的碳纤维增强碳化锆复合材料的密度为2.08g/cm3，开孔率为9.3%，弯曲强度为115MPa，质量烧蚀率为0.0104g/s，线烧蚀率为0.0261mm/s。
[0089]对比例1的制备方法中，需要32个制备周期，共计36天，并且需要在700°C下热解8个周期之后，再在1550°C高温反应，工艺成本增加。
[0090]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
【主权项】
1.一种碳纤维增强碳化锆复合材料，其特征在于，所述碳纤维增强碳化锆复合材料以碳纤维预制件为增强体，以碳化锆为基体；所述碳纤维增强碳化锆复合材料中碳化锆的体积分数为25%?43%，开孔率为5%?10%。2.一种碳纤维增强碳化锆复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 51、真空浸渍锆源:将碳纤维预制件置于锆源中进行真空浸渍； 52、交联固化锆源:将步骤S1中经真空浸渍后的碳纤维预制件进行交联固化得到固化有锆源的碳纤维预制件； 53、真空浸渍碳源:将所述固化有锆源的碳纤维预制件置于碳源中进行真空浸渍； 54、交联固化碳源:将步骤S3中经真空浸渍后的碳纤维预制件进行交联固化得到固化有碳源的碳纤维预制件； 55、致密化:周期性重复真空浸渍锆源-交联固化锆源-真空浸渍碳源-交联固化碳源过程，直至增重率小于1%; 56、高温反应:将步骤S5中经致密化后的碳纤维预制件进行高温反应得到碳纤维增强碳化锆复合材料。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括以下步骤: 57、再致密化:周期性重复致密化-高温反应过程，使碳纤维增强碳化锆复合材料的开孔率达到5%?10%。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述碳纤维预制件的纤维表面沉积裂解碳涂层；所述裂解碳涂层的厚度为0.1 ym?0.3 μπι。5.根据权利要求2至4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述锆源为醋酸错-水溶液、错溶胶、氧氯化错-乙醇溶液、聚氧错-乙醇溶液、聚醋酸错-水溶液中的一种或多种；所述错源的浓度为30wt%?59wt% ;所述真空浸渍的时间为3h?5h。6.根据权利要求2至4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述交联固化具体为:将步骤S1中经真空浸渍后的碳纤维预制件于120°C?170°C保温lh?3h，然后升温至200 °C?290°C固化2h?4h。7.根据权利要求2至4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述碳源为酚醛树脂-乙醇溶液、沥青-喹啉溶液、二乙烯基苯、蔗糖-水溶液中的一种或多种；所述碳源的浓度为5wt%?20wt% ;所述真空浸渍的时间为3h?5h。8.根据权利要求2至4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述交联固化具体为:将步骤S3中经真空浸渍后的碳纤维预制件于120°C?160°C保温lh?3h，然后升温至180 °C?200°C固化lh?3h。9.根据权利要求2至4中任一项中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，重复真空浸渍锆源-交联固化锆源-真空浸渍碳源-交联固化碳源过程4?7个周期。10.根据权利要求2至4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S6中，所述高温反应的温度为1500°C?1800°C，所述高温反应的时间为0.5h?2h。
【专利摘要】本发明公开了一种碳纤维增强碳化锆复合材料及其制备方法，该碳纤维增强碳化锆复合材料以碳纤维预制件为增强体，以碳化锆为基体；碳纤维增强碳化锆复合材料中碳化锆的体积分数为25%～43%，开孔率为5%～10%。其制备方法包括真空浸渍锆源、交联固化锆源、真空浸渍碳源、交联固化碳源、致密化、高温反应和再致密化七个步骤。本发明的制备方法具有制备工艺简单、原料低廉易得、制备周期短、制备成本低等优点，制备得到的碳纤维增强碳化锆复合材料具有ZrC含量高、开孔率低、致密度高等优点，且材料的强度高，力学性能优异，是超高声速飞行器超高温热防护的重要候选材料之一。
【IPC分类】C04B35/56, C04B35/80, C04B35/622
【公开号】CN105367106
【申请号】CN201510881857
【发明人】胡海峰, 陈思安, 李勇, 张玉娣, 马新, 吴金泰, 廖艳
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年12月4日