[发明专利]一种多层次碳化锆增强碳基复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种多层次碳化锆增强碳基复合材料及制备方法和应用，属于复合材料制备技术领域。该多层次碳化锆增强碳基复合材料是以高温石墨化处理后的中间相炭微球为碳基体，采用熔盐法在炭基体微球内部和表面原位生成碳化锆陶瓷增强相，再结合热压烧结法制得；该多层次碳化锆增强碳基复合材料中由于陶瓷增强相的引入能够显著提升碳基材料的力学性能、抗热震及抗烧蚀性能。本发明公开的多层次碳化锆陶瓷增强碳基体复合材料具有优异的力学性能、抗高温氧化、抗烧蚀以及抗热震性能，在航空航天、能源电子等领域应用前景广阔。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种多层次碳化锆增强碳基复合材料及制备方法和应用。

背景技术

随着航空航天技术的不断革新，发动机的性能不断攀升，这对于其内部的结构件材料也提出了越来越严苛的性能要求，如更高的强韧性、更优异的抗热震性及抗烧蚀性等。石墨材料因具有低密度、耐高温、资源丰富、易加工等优点，被广泛用作航空航天领域中的关键结构件(如发动机中的轴密封件、喷管中的喉衬构件等)。然而，目前纯石墨材料存在致密化温度过高，致密化困难易产生气孔等缺陷，导致石墨材料的力学性能较差等问题。

中间相炭微球是一种新型碳基功能材料，是在稠环芳烃化合物的炭化过程中形成的一种盘状向列液晶结构，有着良好的化学稳定性、高堆积密度、易碳化、热稳定性好等特性。同时，中间相炭微球还具有价格低廉、密度小的优点，具有广阔的应用及发展前景。而碳化锆陶瓷作为一种超高温陶瓷材料，不仅具有高熔点、高强度，而且密度低、耐机械冲刷、耐高温氧化、耐烧蚀性能等优异的特性。因此，将碳化锆陶瓷作为增强相引入到石墨基体中，有望制备出轻质、高强、抗氧化、抗烧蚀、抗热震性能优异的陶瓷增强碳基复合材料。

目前，有关碳化锆增强中间相炭微球的研究鲜有报道。在利用陶瓷增强碳基材料的研究中，Chen等人以亚微米级氮化铝陶瓷和数十微米的中间相炭微球为原料，采用凝胶注模和放电等离子烧结法制备出氮化铝陶瓷增强碳基复合材料，形成的连续氮化铝骨架可使碳基体镶嵌在骨架中，但是其强度仅为54MPa[Carbon,2010,48:3399]。原因在于氮化铝陶瓷粉末与中间相炭微球在密度和颗粒粒径方面存在较大的差异，导致复合材料中的陶瓷骨架结构不均匀且连续性较差。Xia等人报道了以纳米碳化硅颗粒与中间相炭微球为原料，采用机械球磨和反应烧结的方式制备碳化硅陶瓷增强碳基复合材料。复合材料的强度有所提升，但是这种制备方法在复合材料中引入了大量的缺陷且陶瓷增强相难以形成连续骨架结构，导致复合材料的相对密度明显下降，力学性能提升幅度有限[CN101747039,公开日20100623]。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多层次碳化锆增强碳基复合材料及制备方法和应用，以解决现有的陶瓷增强相骨架结构不均匀、连续性较差且层次不够丰富而导致复合材料相对密度较低、力学性能较低的技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种多层次碳化锆增强碳基复合材料，包括呈颗粒球形形态的中间相炭微球，在该中间相炭微球内部的石墨片层间均匀分布片状的增强相碳化锆陶瓷，在该中间相炭微球的最外层均匀包覆有增强相碳化锆包覆层，构成多层次碳化锆增强碳基复合材料。

优选地，该多层次碳化锆增强碳基复合材料是以高温石墨化处理后的中间相炭微球为碳基体，采用熔盐法在炭基体微球内部和表面原位生成碳化锆陶瓷增强相，再结合热压烧结法制得；

以体积百分比计，该多层次碳化锆增强碳基复合材料中，中间相炭微球占比50％～90％，碳化锆陶瓷增强相占比10％～50％。

优选地，中间相炭微球的粒径为5～20μm。

优选地，该多层次碳化锆增强碳基复合材料的相对密度为85.2％～98.7％，抗弯强度为60～318MPa，断裂韧性为1.20～4.21MPa·m^1/2。