专利名称：热压成型制备碳化钽/炭复合材料的方法
技术领域：
本发明涉及一种碳化钽/炭复合材料的制备方法。
背景技术：
随着宇航技术的飞速发展，对在极限环境下服役材料的要求越来越苛刻，要求材料在高温、高速气流的冲刷下(＞2400℃)和活性气氛中(原子态氧、氮)具有良好的热化学、物理稳定性。目前，超音速飞行仪器(包括空间飞行器、大气再入系统、火箭推进系统等)的研制与开发对超高温热保护材料具有强烈的依赖性，因此研究新一代的超高温结构材料具有极为重要的意义。
炭基复合材料具有良好的尺寸稳定性、高温比强度高、易加工、轻质价廉等优点，被广泛的用作高温结构材料。然而在高于800℃的氧化气氛中的烧蚀严重阻碍了其应用，因此，必须提高炭材料抗烧蚀性能，来满足极限环境下对炭材料的要求，扩大其应用范围。
美国在1976年76-609号的AIAA“固体推进火箭发动机用炭/炭材料”报告中指出，在炭材料中引入钽、铪、锆等元素形成难熔碳化物，可以提高材料的耐烧蚀和抗氧化性能。在1980年80-1476号的AIAA论文中报道了碳化钽/炭复合材料的耐烧蚀性能。在此方面美国、俄罗斯、法国进行了相关研究，多采用化学气相沉积和化学气相反应来制备碳化物涂层保护炭材料，但这些方法存在由于涂层与基体热膨胀系数不匹配，高温下涂层易剥离失效问题，而且设备昂贵、操作较难、应用领域受限。采用粉末掺杂可以降低成本，均匀混合可以消除界面的影响，是一种有效的改性手段。崔红等人在《西北工业大学学报》2004年第4期报道了添加碳化钽提高炭/炭复合材料的抗烧蚀性能，采用氧化钽在树脂中悬浮的方法制成浸渍剂，引入复合材料。但这种方法存在如下问题所采用的微粉是10～50微米大小颗粒，由于粒度过高，并且钽化合物的密度(Ta2O58.7g/cm3；TaC14.4g/cm3)与炭基体的密度(＜2.0g/cm3)差别较大，很难分散均匀，造成掺杂组元与炭基体存在明显界面，使用中易出现应力集中而破坏。由此造成产品质量波动大，成品率低的缺点。
发明内容
本发明目的是提供一种产品质量稳定、成品率较高的碳化钽/炭复合材料的制备方法。
本发明采用发明者申请的专利“一种含钽炭基复合材料前驱体的制备方法”(申请号200410064579.4)中所制备含钽沥青。以此为原料作为粘结剂，煅烧焦粉为骨料。采用热压一次成型工艺来制备碳化钽/炭复合材料。
本发明的制备方法包括如下步骤1)预备料将软化点95～150℃，含钽2～10wt％的沥青前驱体原料(具体制备方法见专利“一种含钽炭基复合材料前驱体的制备方法”，申请号200410064579.4)分成两部分，一部分直接作为粘结剂用；另一部分在氩气的保护下煅烧至1200～1300℃成为含钽焦粉，破碎至100～200目作为骨料用，以含钽焦粉粘结剂沥青的质量比为75～85∶15～25配料，高速球磨4～8小时；2)热压成型在惰性气氛保护下，在热压机上一次成型制备产品，压力为30～50MPa，最高热压温度2500～2600℃，热压期间升温曲线500℃以前的升温速度为100～120℃/小时，500～1200℃期间的升温速度为150～170℃/小时，1200～最高温度期间升温速度为250～300℃/小时。
本发明具有如下的优点所采用的含钽沥青中的钽是极细的均匀分散于沥青中，经过热压一次成型处理，钽转化为碳化钽均匀分散在炭基体中，与微粉掺杂的方法制备的材料相比，按本专利制备的复合材料中的钽在粘结剂、焦粉中都达到精细均匀分布，制造的材料更加均匀，具有更优良的性质，产品质量稳定，成本低，成品率高。
具体实施例方式
实施例1将软化点95℃、含钽2.0wt％的沥青作为原料(此原料由软化点68℃的煤沥青和氯化钽按100∶4的比例、在350℃下反应4小时制取的，具体方法见专利“一种含钽炭基复合材料前驱体的制备方法”，申请号200410064579.4)，把此原料分成两部分一部分直接作为粘结剂用，另一部分在氩气的保护下煅烧至1200℃成为含钽焦粉，破碎至100目作为骨料用。取粘结剂用含钽沥青250克和含钽焦粉750克，一起放入高速球磨机中研磨4小时后，在热压机上于30MPa、2500℃下热压成型，得到碳化钽/炭复合材料。热压期间的升温曲线500℃以前的升温速度为100℃/小时，500～1200℃期间的升温速度150℃/小时，1200～2500℃的升温速度为250℃/小时。所得材料的密度是2.00g/cm3，垂直压制方向上的抗弯强度是44.5MPa，抗压强度是95.2MPa。
实施例2将软化点114℃、含钽5.14wt％的沥青作为原料(此原料由软化点72℃的煤沥青和氯化钽按100∶10的比例、在350℃下反应4小时制取的，具体方法与实施例1中的方法类似)，把此原料分成两部分一部分直接作为粘结剂用，另一部分在氩气的保护下煅烧至1300℃成为含钽焦粉，破碎至200目作为骨料用。取粘结剂用含钽沥青200克和含钽焦粉800克，一起放入高速球磨机中研磨6小时后，在热压机上于40MPa、2600℃下热压成型，得到碳化钽/炭复合材料。热压期间的升温曲线500℃以前的升温速度110℃/小时，500～1200℃期间的升温速度170℃/小时，1200～2600℃的升温速度为280℃/小时。所得材料的密度是2.08g/cm3，垂直压制方向上的抗弯强度是51.5MPa，抗压强度是108.4MPa。
实施例3将软化点128℃、含钽8.33wt％的沥青作为原料(此原料由软化点68℃的煤沥青和氯化钽按100∶16的比例、在350℃下反应4小时制取的，具体方法与实施例1中的方法类似)，把此原料分成两部分一部分直接作为粘结剂用，另一部分在氩气的保护下煅烧至1200℃成为含钽焦粉，破碎至100目作为骨料用。取粘结剂用含钽沥青150克和含钽焦粉850克，一起放入高速球磨机中研磨8小时后，在热压机上于40MPa、2600℃下热压成型，得到碳化钽/炭复合材料。热压期间的升温曲线500℃以前的升温速度120℃/小时，500～1200℃期间的升温速度160℃/小时，1200～2600℃的升温速度为300℃/小时。此材料的密度是2.10g/cm3，垂直压制方向上的抗弯强度是60.8MPa，抗压强度是129.9MPa。
实施例4将软化点150℃、含钽10.0wt％的沥青作为原料(此原料由软化点68℃的煤沥青和氯化钽按100∶20的比例、在350℃下反应4小时制取的，具体方法与实施例1中的方法类似)，把此原料分成两部分一部分直接作为粘结剂用，另一部分在氩气的保护下煅烧至1200℃成为含钽焦粉，破碎至200目作为骨料用。取粘结剂用含钽沥青250克和含钽焦粉750克，一起放入高速球磨机中研磨6小时后，在热压机上于40MPa、2600℃下热压成型，得到碳化钽/炭复合材料。热压期间的升温曲线500℃以前的升温速度100℃/小时，500～1200℃期间的升温速度150℃/小时，1200～2600℃的升温速度为300℃/小时。此材料的密度是2.30g/cm3，垂直压制方向上的抗弯强度是78.0MPa，抗压强度是138.3MPa。
权利要求
1.一种热压成型制备碳化钽/炭复合材料的方法，其特征在于包括如下步骤1)预备料将软化点95～150℃，含钽2～10wt％的沥青前驱体原料分成两部分，一部分直接作为粘结剂用；另一部分在氩气的保护下煅烧至1200～1300℃成为含钽焦粉，破碎至200目作为骨料用，以含钽焦粉粘结剂沥青的质量比为75～85∶15～25配料，高速球磨4～8小时；2)热压成型在惰性气氛保护下，在热压机上一次成型制备产品，压力为30～50MPa，最高热压温度2500～2600℃，热压期间的升温曲线500℃以前的升温速度为100～120℃/小时，500～1200℃期间的升温速度为150～170℃/小时，1200～最高温度期间升温速度为250～300℃/小时。
2.如权利要求1所述的一种热压成型制备碳化钽/炭复合材料的方法，其特征在于所述的沥青原料是采用申请号为200410064579.4的“一种含钽炭基复合材料前驱体的制备方法”发明专利所述的方法制备的。
全文摘要
一种热压成型制备碳化钽/炭复合材料的方法是采用专利“一种含钽炭基复合材料前驱体的制备方法”制备的含钽沥青前驱体为原料，以这种沥青为粘结剂，煅烧的含钽焦粉为骨料，采用热压一次成型工艺制备的碳化钽/炭复合材料。本发明制备的复合材料具有机械强度高，垂直压制方向的最大抗弯强度和抗压强度分别达78.0MPa和138.3MPa，产品质量稳定、成本低，成品率高的优点。
文档编号C04B35/622GK1730435SQ20051001258
公开日2006年2月8日 申请日期2005年6月7日 优先权日2005年6月7日
发明者刘朗, 李秀涛, 史景利, 郭全贵 申请人:中国科学院山西煤炭化学研究所