一种耐烧蚀的用于碳基耗散防热复合材料的三元合金耗散剂及方法与流程

本发明涉及轻质耐烧蚀复合材料领域。

背景技术：

耐烧蚀材料是国防和航天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以保证飞行器正常飞行速度和轨迹。随着航天技术的不断发展对轻质耐烧蚀材料的需求越来越迫切。现在常用的轻质耐烧蚀材料主要包括树脂基复合材料和碳/碳复合材料等。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；碳/碳及其改性的复合材料主要是辐射和烧蚀式防热机理，C/SiC等改性的碳/碳复合材料具有优异的耐烧蚀性能，在很多重要的受热部件上获得了应用，但其制备工艺复杂，制备周期长，成本高。

技术实现要素：

本发明要解决现有制备的碳基耗散放热复合材料耐烧蚀性能差的技术问题，而提供一种耐烧蚀的用于碳基耗散防热复合材料的三元合金耗散剂及方法。

一种耐烧蚀的用于碳基耗散防热复合材料的三元合金耗散剂按照质量份数由20～40份的铝、40～60份的硅和10～30份的锆三元合金组成；该三元合金耗散剂通过热力学计算的熔点为1100～1600℃。

三元合金耗散剂制备碳基耗散防热复合材料的方法，具体按以下步骤进行：

一、在石墨坩埚内壁均匀涂覆BN，将所述的三元合金耗散剂装入石墨坩埚中；三元合金耗散剂按照质量份数由20～40份的铝、40～60份的硅和10～30份的锆三元合金组成；

二、将碳基体材料加工成构件，然后超声清洗，烘干；

三、将步骤一处理的石墨坩埚放入气压浸渗炉中，将步骤二处理的碳基体材料构件连接到气压浸渗炉中的提拉杆上；关闭炉门抽真空至压力为0.9×10^-3～1.0×10^-3Pa，然后控制升温速率为20～30℃/min，升温时充入氩气至压力为0.1～0.2大气压；继续升温到反应浸渗温度，保温1～1.5小时，得到熔融的三元合金耗散剂，然后下降提拉杆将碳基体材料构件浸入熔融的三元合金耗散剂中，炉内充入高纯氩气至浸渗气压，然后升起提拉杆将碳基体材料构件从熔融的三元合金耗散剂中提出，关闭加热电源，冷却后，获得碳基耗散防热复合材料。

本发明的有益效果是：本发明所涉及三元合金耗散剂，具有低于基体碳的氧化自由能，在烧蚀条件下优先于基体碳与氧反应，消耗掉氧保护基体碳不被氧化，同时，三元合金耗散剂中的物质与氧反应生成的Al2O3、SiO2、ZrO2等氧化物，在高温下形成液态氧化膜附着在碳基体的表面，起到阻止氧向基体扩散防止基体氧化的作用。耗散剂高的熔化焓和蒸发焓在烧蚀过程中可以吸收和带走大量的热量，降低基体的温度，且ZrO2热导率低，也可以起到阻止表面的热量向基体传导，抑制基体升温的作用。因此，由本发明提出的三元合金耗散剂制备的碳基耗散放热复合材料具有优异的耐烧蚀性能。

本发明耗散剂用于制备碳基耗散防热复合材料，也可用于多孔耐高温陶瓷、C/C-SiC复合材料、C/C-ZrC-SiC复合材料等其他多孔的基体材料中，可以提高其耐烧蚀性能。

附图说明

图1为实施例一制备的碳基耗散防热复合材料的照片；图2为实施例一制备的碳基耗散防热复合材料烧蚀后的照片。

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：本实施方式一种耐烧蚀的用于碳基耗散防热复合材料的三元合金耗散剂按照质量份数由20～40份的铝、40～60份的硅和10～30份的锆三元合金组成；该三元合金耗散剂通过热力学计算的熔点为1100～1600℃。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：该三元合金耗散剂按照质量份数由20份的铝、55份的硅和25份的锆三元合金组成。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：该三元合金耗散剂按照质量份数由40份的铝、45份的硅和15份的锆三元合金组成。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：该三元合金耗散剂按照质量份数由40份的铝、50份的硅和10份的锆三元合金组成。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：该三元合金耗散剂按照质量份数由30份的铝、50份的硅和20份的锆三元合金组成。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：利用具体实施方式一所述三元合金耗散剂制备碳基耗散防热复合材料的方法，具体按以下步骤进行：

一、在石墨坩埚内壁均匀涂覆BN，将具体实施方式一所述的三元合金耗散剂装入石墨坩埚中；三元合金耗散剂按照质量份数由20～40份的铝、40～60份的硅和10～30份的锆三元合金组成；

二、将碳基体材料加工成构件，然后超声清洗，烘干；

三、将步骤一处理的石墨坩埚放入气压浸渗炉中，将步骤二处理的碳基体材料构件连接到气压浸渗炉中的提拉杆上；关闭炉门抽真空至压力为0.9×10^-3～1.0×10^-3Pa，然后控制升温速率为20～30℃/min，升温时充入氩气至压力为0.1～0.2大气压；继续升温到反应浸渗温度，保温1～1.5小时，得到熔融的三元合金耗散剂，然后下降提拉杆将碳基体材料构件浸入熔融的三元合金耗散剂中，炉内充入高纯氩气至浸渗气压，然后升起提拉杆将碳基体材料构件从熔融的三元合金耗散剂中提出，关闭加热电源，冷却后，获得碳基耗散防热复合材料。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤二中碳基体材料的孔隙率为10～35％。其它与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是：步骤二中碳基体材料为石墨或低密度C/C复合材料。其它与具体实施方式六或七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是：步骤三中设定温度为1700～2000℃。其它与具体实施方式六至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是：步骤三中充入高纯氩气的压力为3～10MPa。其它与具体实施方式六至九之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式六至十之一不同的是：步骤一中三元合金耗散剂按照质量份数由30份的铝、50份的硅和20份的锆三元合金组成；步骤二中碳基体材料为高纯石墨，密度为1.65～1.82g/cm³；步骤三中反应浸渗温度为1600～1800℃。其它与具体实施方式六至十之一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式六至十一之一不同的是：步骤一中三元合金耗散剂按照质量份数由40份的铝、45份的硅和15份的锆三元合金组成；步骤二中碳基体材料为C/C复合材料，密度为1.45～1.80g/cm³；步骤三中反应浸渗温度为1500～1700℃。其它与具体实施方式六至十一之一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式六至十二之一不同的是：步骤一中三元合金耗散剂按照质量份数由20份的铝、55份的硅和25份的锆三元合金组成，步骤三中反应浸渗温度为1800℃，浸渗气压为10MPa。其它与具体实施方式六至十二之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例一种耐烧蚀的用于碳基耗散防热复合材料的三元合金耗散剂按照质量份数由20份的铝、55份的硅和25份的锆三元合金组成。

利用所述三元合金耗散剂制备碳基耗散防热复合材料的方法，具体按以下步骤进行：

一、在石墨坩埚内壁均匀涂覆BN，将所述的三元合金耗散剂装入石墨坩埚中；三元合金耗散剂按照质量份数由20份的铝、55份的硅和25份的锆三元合金组成；

二、将碳基体材料加工成的构件，然后超声清洗，烘干；

三、将步骤一处理的石墨坩埚放入气压浸渗炉中，将6～8个步骤二处理的碳基体材料构件用卡具连接到气压浸渗炉中的提拉杆上；关闭炉门抽真空至压力为1.0×10^-3Pa，然后控制升温速率为30℃/min，升温时充入氩气至压力为0.2大气压；继续升温到反应浸渗温度1800℃，保温1.5小时，得到熔融的三元合金耗散剂，然后下降提拉杆将碳基体材料构件浸入熔融的三元合金耗散剂中，炉内充入高纯氩气至浸渗气压5MPa，然后升起提拉杆将碳基体材料构件从熔融的三元合金耗散剂中提出，关闭加热电源，冷却后，获得碳基耗散防热复合材料。

本实施例制备的碳基耗散防热复合材料在氧乙炔烧蚀条件下，烧蚀100s，线烧蚀率达到0.8×10^-3mm/s。

本实施例制备的碳基耗散防热复合材料的照片如图1所示；本实施例制备的碳基耗散防热复合材料烧蚀后的照片如图2所示。

实施例二：

本实施例一种耐烧蚀的用于碳基耗散防热复合材料的三元合金耗散剂按照质量份数由40份的铝、50份的硅和10份的锆三元合金组成。

利用所述三元合金耗散剂制备碳基耗散防热复合材料的方法，具体按以下步骤进行：

一、在石墨坩埚内壁均匀涂覆BN，将所述的三元合金耗散剂装入石墨坩埚中；三元合金耗散剂按照质量份数由40份的铝、50份的硅和10份的锆三元合金组成；

二、将孔隙率为25.9％碳基体材料加工成构件，然后超声清洗，烘干；碳基体材料为碳/碳，密度为1.63g/cm³；烘干温度为80℃，烘干时间为2h；

三、将步骤一处理的石墨坩埚放入气压浸渗炉中，将步骤二处理的碳基体材料构件用卡具连接到气压浸渗炉中的提拉杆上；关闭炉门抽真空至压力为1.0×10^-3Pa，然后控制升温速率为30℃/min，升温时充入氩气至压力为0.2大气压；继续升温到反应浸渗温度1350℃，保温1小时，得到熔融的三元合金耗散剂，然后下降提拉杆将碳基体材料构件浸入熔融的三元合金耗散剂中，炉内充入高纯氩气至浸渗气压10MPa，然后升起提拉杆将碳基体材料构件从熔融的三元合金耗散剂中提出，关闭加热电源，冷却后，获得碳基耗散防热复合材料。

本实施例制备的碳基耗散防热复合材料在氧乙炔烧蚀条件下，烧蚀100s，线烧蚀率达到1.1×10^-3mm/s。