本發(fā)明涉及輕質(zhì)耐燒蝕復(fù)合材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
耐燒蝕材料是國防、航天航空領(lǐng)域重要的工程材料，其作用是受熱部件在高溫和高速氣流沖刷條件下，在工作時間內(nèi)能夠維持氣動外形使飛行器正常工作。隨著航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展對耐燒蝕材料提出了越來越苛刻的要求。傳統(tǒng)的耐燒蝕材料主要包括難熔金屬及其復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料材料、樹脂基復(fù)合材料、鎢滲銅和碳/碳復(fù)合材料等。其耐燒蝕機(jī)理這些材料各有特色。難熔金屬如鎢、鉬、鈮及其復(fù)合材料主要是熱沉吸熱，但密度高，不滿足飛行器部件的輕質(zhì)要求；陶瓷基復(fù)合材料主要是輻射防熱機(jī)理，但陶瓷耐熱沖擊性差，機(jī)械加工困難；樹脂基復(fù)合材料一般通過熱解吸收外界熱量，因而燒蝕率大；鎢滲銅材料的防熱機(jī)制是發(fā)汗防熱和熱沉防熱；碳/碳及其改性的復(fù)合材料主要是輻射和燒蝕式防熱機(jī)理，但其制備工藝復(fù)雜，成本很高。在氧乙炔燒蝕條件下，燒蝕150s，基體材料的線燒蝕率的數(shù)量級為10-2um/s。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決現(xiàn)有制備工藝復(fù)雜，成本高的技術(shù)問題，而提供一種耗散防熱復(fù)合材料及其制備方法。
一種耗散防熱復(fù)合材料，由碳材料作為基體，在真空高溫條件下，將基體浸入熔融的浸滲劑中，利用基體中微孔的毛細(xì)管力使浸滲劑浸入到基體中形成復(fù)合材料。
一種耗散防熱復(fù)合材料的制備方法，具體按以下步驟進(jìn)行：
一、按質(zhì)量份數(shù)稱取6～9份的硅和1～5份的金屬，混合均勻，得到浸滲劑；
二、將多孔基體加工成構(gòu)件，超聲清洗，然后烘干；
三、將石墨坩堝放入可傾轉(zhuǎn)的中頻爐的感應(yīng)線圈中，采用石英砂固定，在石墨坩堝內(nèi)壁涂覆bn；
四、將步驟二處理的構(gòu)件與步驟一得到的浸滲劑放入步驟三處理的石墨坩堝中；在真空條件下，控制升溫速率為30～100℃/min，升溫至反應(yīng)浸滲溫度為1400～2200℃，耗散劑熔融后充入氬氣至壓力為0.2～0.5大氣壓；然后保持溫度浸滲20～30min，傾轉(zhuǎn)石墨坩堝將坩堝內(nèi)剩余的耗散劑倒出，得到耗散防熱復(fù)合材料。
本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明傳統(tǒng)材料防熱機(jī)理，提出了一種耗散防熱的新機(jī)理。耗散防熱復(fù)合材料的防熱機(jī)理是在多孔的石墨或低密度碳碳的基體中，滲入吉布斯氧化自由能低于基體的物質(zhì)作為耗散劑，在高溫?zé)g過程中，耗散劑液化、氣化吸收一定的氣動熱，形成熱耗散；耗散劑優(yōu)先于基體與邊界層的氧反應(yīng)，消耗邊界層的氧形成氧耗散；同時，耗散劑氧化生成的液態(tài)陶瓷可在基體表面形成保護(hù)層，進(jìn)一步提高基體的耐燒蝕性能。在高壓及高速粒子流沖刷條件下，液態(tài)的陶瓷層會不斷被沖刷掉，同時，基體內(nèi)部的耗散劑不斷的溢出消耗熱和氧以及形成新的陶瓷層，在一定時間內(nèi)形成非平衡態(tài)熱力學(xué)的耗散劑結(jié)構(gòu)。本發(fā)明目的是提供一種能夠在高溫、高壓和高速粒子流沖刷條件下燒蝕率低、氣動外形變化小、可加工性好并且成本低廉的防熱復(fù)合材料。耗散防熱復(fù)合材料是一種新型的耐燒蝕材料，可以滿足高超音速飛行器翼前緣、火箭發(fā)動機(jī)燃燒室、導(dǎo)彈轉(zhuǎn)向孔板和燃?xì)舛娴葮?gòu)件的使用需求。
本發(fā)明所涉及的輕質(zhì)耐燒蝕的耗散防熱復(fù)合材料制備工藝簡單、周期短、復(fù)合材料可進(jìn)行電加工和機(jī)械加工，制造成本低、耐燒蝕性能好。
本發(fā)明制備的耐燒蝕復(fù)合材料用于制造固體火箭發(fā)動機(jī)噴管的喉襯、燃?xì)舛?，也可用于制造高超音速飛行器的端頭帽、翼前緣、尾舵和用于制造導(dǎo)彈的轉(zhuǎn)向孔板等構(gòu)件。
具體實施方式
本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的具體實施方式，還包括各具體實施方式之間的任意組合。
具體實施方式一：本實施方式一種耗散防熱復(fù)合材料，由碳材料作為基體，在真空高溫條件下，將基體浸入熔融的浸滲劑中，利用基體中微孔的毛細(xì)管力使浸滲劑浸入到基體中形成復(fù)合材料。
具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：基體為石墨或低密度c/c復(fù)合材料。其它與具體實施方式一相同。
具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是：浸滲劑按質(zhì)量份數(shù)由6～9份的硅和1～5份的金屬制備，其中金屬為鉬、鋯和鋁中的一種或多種的混合。其它與具體實施方式一或二相同。
具體實施方式四：具體實施方式一所述的一種耗散防熱復(fù)合材料的制備方法，具體按以下步驟進(jìn)行：
一、按質(zhì)量份數(shù)稱取6～9份的硅和1～5份的金屬，混合均勻，得到浸滲劑；
二、將多孔基體加工成構(gòu)件，超聲清洗，然后烘干；
三、將石墨坩堝放入可傾轉(zhuǎn)的中頻爐的感應(yīng)線圈中，采用石英砂固定，在石墨坩堝內(nèi)壁涂覆bn；
四、將步驟二處理的構(gòu)件與步驟一得到的浸滲劑放入步驟三處理的石墨坩堝中；在真空條件下，控制升溫速率為30～100℃/min，升溫至反應(yīng)浸滲溫度為1400～2200℃，耗散劑熔融后充入氬氣至壓力為0.2～0.5大氣壓；然后保持溫度浸滲20～30min，傾轉(zhuǎn)石墨坩堝將坩堝內(nèi)剩余的耗散劑倒出，得到耗散防熱復(fù)合材料。
具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式四不同的是：步驟一中金屬為鉬、鋯和鋁中的一種或多種的混合。其它與具體實施方式四相同。
具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式四或五不同的是：步驟二中多孔基體的孔隙率為15～40％。其它與具體實施方式四或五相同。
具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式四至六之一不同的是：步驟二中多孔基體為石墨或低密度c/c復(fù)合材料。其它與具體實施方式四至六之一相同。
具體實施方式八：本實施方式與具體實施方式四至七之一不同的是：步驟二中烘干溫度為80～100℃，烘干時間為2～4h。其它與具體實施方式四至七之一相同。
具體實施方式九：本實施方式與具體實施方式四至八之一不同的是：步驟一中浸滲劑為6～9份硅和1～4份金屬鉬，步驟二中基體材料為高純石墨，密度為1.65～1.82g/cm3，步驟四中反應(yīng)浸滲溫度為1800～2000℃。其它與具體實施方式四至八之一相同。
具體實施方式十：本實施方式與具體實施方式四至九之一不同的是：步驟一中浸滲劑為6～7份硅、1～3份金屬鉬和1～2份金屬鋯，步驟二中基體材料為c/c復(fù)合材料，密度為1.6～1.8g/cm3，步驟四中反應(yīng)浸滲溫度為1900～2200℃。其它與具體實施方式四至九之一相同。
具體實施方式十一：本實施方式與具體實施方式四至十之一不同的是：步驟一中浸滲劑為6～8份硅和2～4份金屬鋁，步驟四中反應(yīng)浸滲溫度為1400～1700℃。其它與具體實施方式四至十之一相同。
具體實施方式十二：本實施方式與具體實施方式四至十一之一不同的是：步驟一中浸滲劑為6～7份硅、1～3份金屬鉬和1～2份金屬鋁，步驟四中反應(yīng)浸滲溫度為1700～1900℃。其它與具體實施方式四至十一之一相同。
具體實施方式十三：本實施方式與具體實施方式四至十二之一不同的是：步驟一中浸滲劑為6～9份硅和1～4份金屬鋯，步驟二中基體材料為高純石墨，密度為1.65～1.82g/cm3，步驟四中反應(yīng)浸滲溫度為1700～1950℃。其它與具體實施方式四至十二之一相同。
具體實施方式十四：本實施方式與具體實施方式四至十三之一不同的是：步驟一中浸滲劑為6～7份硅、1～3份金屬鋯和1～2份金屬鋁，步驟四中反應(yīng)浸滲溫度為1700～1900℃。其它與具體實施方式四至十三之一相同。
具體實施方式十五：本實施方式與具體實施方式四至十四之一不同的是：步驟一中浸滲劑為6～9份硅和1～4份金屬鋯，步驟二中基體材料為c/c復(fù)合材料，密度為1.6～1.8g/cm3，步驟四中反應(yīng)浸滲溫度為1700～1950℃。其它與具體實施方式四至十四之一相同。
采用以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果：
實施例一：
本實施例一種耗散防熱復(fù)合材料的制備方法，具體按以下步驟進(jìn)行：
一、按質(zhì)量份數(shù)稱取6份的硅、2份金屬鉬和2份金屬鋯，混合均勻，得到浸滲劑；
二、將孔隙率為25％多孔基體加工成構(gòu)件，超聲清洗，然后烘干；基體材料為c/c復(fù)合材料，密度為1.7g/cm3；烘干溫度為80℃，烘干時間為4h；
三、將石墨坩堝放入可傾轉(zhuǎn)的中頻爐的感應(yīng)線圈中，采用石英砂固定，在石墨坩堝內(nèi)壁涂覆bn；
四、將步驟二處理的構(gòu)件與步驟一得到的浸滲劑放入步驟三處理的石墨坩堝中；在真空條件下，控制升溫速率為80℃/min，升溫至反應(yīng)浸滲溫度為2200℃，耗散劑熔融后充入氬氣至壓力為0.5大氣壓；然后保持溫度浸滲30min，傾轉(zhuǎn)石墨坩堝將坩堝內(nèi)剩余的耗散劑倒出，得到耗散防熱復(fù)合材料。
本實施例制備的耗散防熱復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度由原來基體的136mpa提高到264mpa，提高了94％；在氧乙炔燒蝕條件下，燒蝕150s，線燒蝕率由原來基體1.5×10-2um/s降低到1.6×10-3um/s，提高了一個數(shù)量級。
實施例二：
本實施例一種耗散防熱復(fù)合材料的制備方法，具體按以下步驟進(jìn)行：
一、按質(zhì)量份數(shù)稱取8份的硅和4份金屬鋁，混合均勻，得到浸滲劑；
二、將孔隙率為15％多孔基體加工成構(gòu)件，超聲清洗，然后烘干；基體材料為高純石墨，密度為1.75g/cm3，；烘干溫度為80℃，烘干時間為4h；
三、將石墨坩堝放入可傾轉(zhuǎn)的中頻爐的感應(yīng)線圈中，采用石英砂固定，在石墨坩堝內(nèi)壁涂覆bn；
四、將步驟二處理的構(gòu)件與步驟一得到的浸滲劑放入步驟三處理的石墨坩堝中；在真空條件下，控制升溫速率為80℃/min，升溫至反應(yīng)浸滲溫度為1500℃，耗散劑熔融后充入氬氣至壓力為0.5大氣壓；然后保持溫度浸滲30min，傾轉(zhuǎn)石墨坩堝將坩堝內(nèi)剩余的耗散劑倒出，得到耗散防熱復(fù)合材料。
本實施例制備的耗散防熱復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度由原來基體的61.7mpa提高到122.3mpa，提高了98％；在氧乙炔燒蝕條件下，燒蝕150s，線燒蝕率由原來基體5.6×10-2um/s降低2.5×10-3um/s，提高了一個數(shù)量級。