一種高溫抗氧化的CfSiC復合材料及制備方法與流程

文檔序號:18231924發布日期:2019-07-20 01:29

本發明涉及碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料技術領域,具體為一種高溫抗氧化的CfSiC復合材料及制備方法。



背景技術:

碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料(Cf/SiC)作為高溫熱結構材料在航空航天領域的應用已經引起了廣泛的關注,它是提高發動機燃燒室溫度,進而提高能源轉化率的最理想熱結構材料之一。碳纖維有良好的高溫力學性能和熱性能,在惰性環境中超過2000℃仍能保持強度、模量等力學性能不降低。 Cf/SiC復合材料則擁有良好的斷裂韌性、耐磨性、低熱膨脹系數、高熱導率、高氣化溫度和良好的抗熱震性能。

但是在氧化性環境中,高于400℃,碳纖維就會氧化,導致材料失效,這是影響Cf/SiC復合材料在氧化性環境中長效應用的致命弱點。而Cf/SiC復合材料用作高溫結構部件時,其使用環境的溫度在極短的時間內變化可達上千攝氏度,通常同時還有高溫氣流沖蝕,為此必須解決Cf/SiC復合材料在高溫下容易發生氧化的問題。

現有技術通過在基體材料的表面涂覆抗氧化涂層來增強基體材料的抗氧化性能是常用和有效的手段,但是在Cf/SiC復合材料表面涂覆單涂層很難起到有效抗氧化保護的作用,通常Cf/SiC的抗氧化涂層體系由熱膨脹系數與基體接近并有良好粘接作用的粘接層、能對涂層裂紋進行自愈合的活性功能層和能抵抗氣流沖蝕的抗沖蝕層組成。

本發明提供一種高溫抗氧化的CfSiC復合材料及制備方法,旨在解決 Cf/SiC復合材料中的增韌相碳纖維,在高溫氧化性的使用環境下,容易發生氧化反應的技術問題。



技術實現要素:

(一)解決的技術問題

針對現有技術的不足,本發明提供了一種高溫抗氧化的CfSiC復合材料及制備方法,解決了Cf/SiC復合材料中的增韌相碳纖維,在高溫氧化性的使用環境下,容易發生氧化反應的技術問題。

(二)技術方案

為實現上述目的,本發明提供如下技術方案:

一種高溫抗氧化的CfSiC復合材料,包括以下重量份數配比的原料:45~ 65份微米SiC陶瓷粉、15~35份微米Cf粉、5~10份抗氧化劑、8~15份陶瓷粘結劑;

其中,抗氧化劑由微米ZrB2粉與納米的Al2O3粉等質量混合組成。

優選的,所述抗氧化劑由平均粒徑≤10um的ZrB2粉與平均粒徑≤100nm 的Al2O3粉等質量混合組成。

優選的,所述陶瓷粘結劑由平均粒徑≤2.6um的20%wtSiO2、30%wt Al2O3、 25%wtZrB2、10%wt ZrO2和15%wtTiO2組成。

一種高溫抗氧化的CfSiC復合材料的制備方法,包括以下步驟:

S101.取45~65g平均粒度≤25um的SiC陶瓷粉、15~35g平均粒徑≤25um 的Cf粉、5~10g抗氧化劑、8~15g平均粒徑≤2.6um的陶瓷粘結劑,備用;抗氧化劑由微米ZrB2粉與納米的Al2O3粉等質量混合

S102.將步驟S101中的SiC粉與硅酸鈉一起置于蒸餾水中,超聲分散均勻;

S103.將步驟S101中的Cf粉與焦磷酸鈉一起置于蒸餾水中,超聲分散均勻;

S104.將步驟S101中的抗氧化劑由與硅酸鈉一起置于蒸餾水中,超聲分散均勻,即得到抗氧化劑分散液;

S105.步驟S102中的SiC分散液加入到裝有攪拌裝置和加熱裝置的反應器中,在600r/min的攪拌速率下,緩慢將步驟S103中的Cf分散液滴加到反應器中,滴加完畢后,緩慢將步驟S104中的抗氧化劑分散液滴加到反應器中,滴加完畢后,于800r/min下攪拌2h,之后,在溫度120℃、攪拌速率300r/min 下,將溶劑蒸發除去;

S106.將步驟S101中的陶瓷粘結劑與步驟S105中的粉料加入到裝有攪拌器的反應器中,在800r/min下,攪拌2h;

S107.將步驟S106中的粉料裝入等靜壓橡膠模具中,在650MPa壓力下壓制成型,升溫至2700~2800℃,并于2700~2800℃、9~15MPa下保溫3h,制備得到Cf/SiC復合材料。

(三)有益的技術效果

與現有技術相比,本發明具備以下有益的技術效果:

本發明在基體SiC陶瓷相和增強相Cf粉之間增加由微米ZrB2陶瓷粉和納米Al2O3陶瓷組成的抗氧化劑、以及陶瓷粘結劑,抗氧化劑與陶瓷粘結劑能夠將增強相Cf緊緊包裹,有效地避免Cf在高溫環境下發生氧化反應,從而起到了提高Cf/SiC復合材料的高溫抗氧化性能;

本發明制備的Cf/SiC復合材料,其拉伸強度為173~190MPa、拉伸模量為84~93GPa、彎曲強度為305~311MPa、彎曲模量為86~96GPa;

與對比例中的Cf/SiC復合材料的拉伸強度143MPa、拉伸模量67GPa、彎曲強度282MPa、彎曲模量61GPa相比,取得了顯著提高Cf/SiC復合材料的力學性能的技術效果。

具體實施方式

實施例一:

上述Cf/SiC復合材料的制備方法包括以下步驟:

S101.取45g平均粒度≤25um的SiC陶瓷粉、35g平均粒徑≤25um的Cf粉、5g抗氧化劑、15g平均粒徑≤2.6um的陶瓷粘結劑,備用;

其中,抗氧化劑由平均粒徑≤10um的ZrB2粉與平均粒徑≤100nm的Al2O3粉等質量混合組成;

陶瓷粘結劑由20%wtSiO2、30%wt Al2O3、25%wtZrB2、10%wt ZrO2和15%wtTiO2組成;

S102.將步驟S101中的SiC粉與5g硅酸鈉一起置于100mL蒸餾水中,超聲分散均勻;

S103.將步驟S101中的Cf粉顆粒與2g焦磷酸鈉一起置于30mL蒸餾水中,超聲分散均勻;

S104.將步驟S101中的ZrB2粉、Al2O3粉與1g硅酸鈉一起置于20mL蒸餾水中,超聲分散均勻,即得到抗氧化劑分散液;

S105.步驟S102中的SiC分散液加入到裝有攪拌裝置和加熱裝置的反應器中,在600r/min的攪拌速率下,緩慢將步驟S103中的Cf分散液滴加到反應器中,滴加完畢后,緩慢將步驟S104中的抗氧化劑分散液滴加到反應器中,滴加完畢后,于800r/min下攪拌2h,之后,在溫度120℃、攪拌速率300r/min 下,將溶劑蒸發除去;

S106.將步驟S101中的陶瓷粘結劑與步驟S105中的粉料加入到裝有攪拌器的反應器中,在800r/min下,攪拌2h;

S107.將步驟S106中的粉料裝入等靜壓橡膠模具中,在650MPa壓力下壓制成型,再置于預熱溫度為1300℃的真空爐中,以10℃/min的升溫速率,升溫至2700~2800℃,并于2700~2800℃、9~15MPa下保溫3h,之后以10℃ /min的退火速率,降溫至室溫時取出,制備得到Cf/SiC復合材料。

實施例二:

S101.取65g平均粒度≤25um的SiC陶瓷粉、15g平均粒徑≤25um的Cf粉、10g抗氧化劑、8g平均粒徑≤2.6um的陶瓷粘結劑,備用;

其中,抗氧化劑由平均粒徑≤10um的ZrB2粉與平均粒徑≤100nm的Al2O3粉等質量混合組成;

陶瓷粘結劑由20%wtSiO2、30%wt Al2O3、25%wtZrB2、10%wt ZrO2和15%wtTiO2組成;

S102.將步驟S101中的SiC粉與5g硅酸鈉一起置于100mL蒸餾水中,超聲分散均勻;

S103.將步驟S101中的Cf粉顆粒與2g焦磷酸鈉一起置于30mL蒸餾水中,超聲分散均勻;

S104.將步驟S101中的ZrB2粉、Al2O3粉與1g硅酸鈉一起置于20mL蒸餾水中,超聲分散均勻,即得到抗氧化劑分散液;

S105.步驟S102中的SiC分散液加入到裝有攪拌裝置和加熱裝置的反應器中,在600r/min的攪拌速率下,緩慢將步驟S103中的Cf分散液滴加到反應器中,滴加完畢后,緩慢將步驟S104中的抗氧化劑分散液滴加到反應器中,滴加完畢后,于800r/min下攪拌2h,之后,在溫度120℃、攪拌速率300r/min 下,將溶劑蒸發除去;

S106.將步驟S101中的陶瓷粘結劑與步驟S105中的粉料加入到裝有攪拌器的反應器中,在800r/min下,攪拌2h;

S107.將步驟S106中的粉料裝入等靜壓橡膠模具中,在650MPa壓力下壓制成型,再置于預熱溫度為1600℃的真空爐中,以10℃/min的升溫速率,升溫至2700~2800℃,并于2700~2800℃、9~15MPa下保溫3h,之后以10℃ /min的退火速率,降溫至室溫時取出,制備得到Cf/SiC復合材料。

實施例三:

S101.取60g平均粒度≤25um的SiC陶瓷粉、20g平均粒徑≤25um的Cf粉、8g抗氧化劑、12g平均粒徑≤2.6um的陶瓷粘結劑,備用;

其中,抗氧化劑由平均粒徑≤10um的ZrB2粉與平均粒徑≤100nm的Al2O3粉等質量混合組成;

陶瓷粘結劑由20%wtSiO2、30%wt Al2O3、25%wtZrB2、10%wt ZrO2和15%wtTiO2組成;

S102.將步驟S101中的SiC粉與5g硅酸鈉一起置于100mL蒸餾水中,超聲分散均勻;

S103.將步驟S101中的Cf粉顆粒與2g焦磷酸鈉一起置于30mL蒸餾水中,超聲分散均勻;

S104.將步驟S101中的ZrB2粉、Al2O3粉與1g硅酸鈉一起置于20mL蒸餾水中,超聲分散均勻,即得到抗氧化劑分散液;

S105.步驟S102中的SiC分散液加入到裝有攪拌裝置和加熱裝置的反應器中,在600r/min的攪拌速率下,緩慢將步驟S103中的Cf分散液滴加到反應器中,滴加完畢后,緩慢將步驟S104中的抗氧化劑分散液滴加到反應器中,滴加完畢后,于800r/min下攪拌2h,之后,在溫度120℃、攪拌速率300r/min 下,將溶劑蒸發除去;

S106.將步驟S101中的陶瓷粘結劑與步驟S105中的粉料加入到裝有攪拌器的反應器中,在800r/min下,攪拌2h;

S107.將步驟S106中的粉料裝入等靜壓橡膠模具中,在650MPa壓力下壓制成型,再置于預熱溫度為1400℃的真空爐中,以10℃/min的升溫速率,升溫至2700~2800℃,并于2700~2800℃、9~15MPa下保溫3h,之后以10℃ /min的退火速率,降溫至室溫時取出,制備得到Cf/SiC復合材料。

對比例:

Cf/SiC復合材料的制備方法包括以下步驟:

S101.取45g平均粒度≤25um的SiC陶瓷粉、35g平均粒徑≤25um的Cf粉、15g平均粒徑≤2.6um的陶瓷粘結劑,備用;

其中,陶瓷粘結劑由20%wtSiO2、30%wt Al2O3、25%wtZrB2、10%wt ZrO2和15%wtTiO2組成;

S102.將步驟S101中的SiC粉與5g硅酸鈉一起置于100mL蒸餾水中,超聲分散均勻;

S103.將步驟S101中的Cf粉顆粒與2g焦磷酸鈉一起置于30mL蒸餾水中,超聲分散均勻;

S104.步驟S102中的SiC分散液加入到裝有攪拌裝置和加熱裝置的反應器中,在600r/min的攪拌速率下,緩慢將步驟S103中的Cf分散液滴加到反應器中,滴加完畢后,于800r/min下攪拌2h,之后,在溫度120℃、攪拌速率300r/min下,將溶劑蒸發除去;

S105.將步驟S101中的陶瓷粘結劑與步驟S104中的粉料加入到裝有攪拌器的反應器中,在800r/min下,攪拌2h;

S106.將步驟S105中的粉料裝入等靜壓橡膠模具中,在650MPa壓力下壓制成型,再置于預熱溫度為1300℃的真空爐中,以10℃/min的升溫速率,升溫至2700~2800℃,并于2700~2800℃、9~15MPa下保溫3h,之后以10℃ /min的退火速率,降溫至室溫時取出,制備得到Cf/SiC復合材料。

性能測試:

對上述實施例與對比例中制備出的Cf/SiC復合材料進行性能測試,性能數據如下:

再多了解一些
當前第1頁1 2 3 
網友詢問留言 已有0條留言
  • 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊!
1
做爱视频