專利名稱：熱壓成型制備碳化鉭/炭復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳化鉭/炭復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著宇航技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)在極限環(huán)境下服役材料的要求越來(lái)越苛刻，要求材料在高溫、高速氣流的沖刷下(＞2400℃)和活性氣氛中(原子態(tài)氧、氮)具有良好的熱化學(xué)、物理穩(wěn)定性。目前，超音速飛行儀器(包括空間飛行器、大氣再入系統(tǒng)、火箭推進(jìn)系統(tǒng)等)的研制與開發(fā)對(duì)超高溫?zé)岜Ｗo(hù)材料具有強(qiáng)烈的依賴性，因此研究新一代的超高溫結(jié)構(gòu)材料具有極為重要的意義。
炭基復(fù)合材料具有良好的尺寸穩(wěn)定性、高溫比強(qiáng)度高、易加工、輕質(zhì)價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的用作高溫結(jié)構(gòu)材料。然而在高于800℃的氧化氣氛中的燒蝕嚴(yán)重阻礙了其應(yīng)用，因此，必須提高炭材料抗燒蝕性能，來(lái)滿足極限環(huán)境下對(duì)炭材料的要求，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。
美國(guó)在1976年76-609號(hào)的AIAA“固體推進(jìn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用炭/炭材料”報(bào)告中指出，在炭材料中引入鉭、鉿、鋯等元素形成難熔碳化物，可以提高材料的耐燒蝕和抗氧化性能。在1980年80-1476號(hào)的AIAA論文中報(bào)道了碳化鉭/炭復(fù)合材料的耐燒蝕性能。在此方面美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)進(jìn)行了相關(guān)研究，多采用化學(xué)氣相沉積和化學(xué)氣相反應(yīng)來(lái)制備碳化物涂層保護(hù)炭材料，但這些方法存在由于涂層與基體熱膨脹系數(shù)不匹配，高溫下涂層易剝離失效問題，而且設(shè)備昂貴、操作較難、應(yīng)用領(lǐng)域受限。采用粉末摻雜可以降低成本，均勻混合可以消除界面的影響，是一種有效的改性手段。崔紅等人在《西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》2004年第4期報(bào)道了添加碳化鉭提高炭/炭復(fù)合材料的抗燒蝕性能，采用氧化鉭在樹脂中懸浮的方法制成浸漬劑，引入復(fù)合材料。但這種方法存在如下問題所采用的微粉是10～50微米大小顆粒，由于粒度過高，并且鉭化合物的密度(Ta2O58.7g/cm3；TaC14.4g/cm3)與炭基體的密度(＜2.0g/cm3)差別較大，很難分散均勻，造成摻雜組元與炭基體存在明顯界面，使用中易出現(xiàn)應(yīng)力集中而破壞。由此造成產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)大，成品率低的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、成品率較高的碳化鉭/炭復(fù)合材料的制備方法。
本發(fā)明采用發(fā)明者申請(qǐng)的專利“一種含鉭炭基復(fù)合材料前驅(qū)體的制備方法”(申請(qǐng)?zhí)?00410064579.4)中所制備含鉭瀝青。以此為原料作為粘結(jié)劑，煅燒焦粉為骨料。采用熱壓一次成型工藝來(lái)制備碳化鉭/炭復(fù)合材料。
本發(fā)明的制備方法包括如下步驟1)預(yù)備料將軟化點(diǎn)95～150℃，含鉭2～10wt％的瀝青前驅(qū)體原料(具體制備方法見專利“一種含鉭炭基復(fù)合材料前驅(qū)體的制備方法”，申請(qǐng)?zhí)?00410064579.4)分成兩部分，一部分直接作為粘結(jié)劑用；另一部分在氬氣的保護(hù)下煅燒至1200～1300℃成為含鉭焦粉，破碎至100～200目作為骨料用，以含鉭焦粉粘結(jié)劑瀝青的質(zhì)量比為75～85∶15～25配料，高速球磨4～8小時(shí)；2)熱壓成型在惰性氣氛保護(hù)下，在熱壓機(jī)上一次成型制備產(chǎn)品，壓力為30～50MPa，最高熱壓溫度2500～2600℃，熱壓期間升溫曲線500℃以前的升溫速度為100～120℃/小時(shí)，500～1200℃期間的升溫速度為150～170℃/小時(shí)，1200～最高溫度期間升溫速度為250～300℃/小時(shí)。
本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)所采用的含鉭瀝青中的鉭是極細(xì)的均勻分散于瀝青中，經(jīng)過熱壓一次成型處理，鉭轉(zhuǎn)化為碳化鉭均勻分散在炭基體中，與微粉摻雜的方法制備的材料相比，按本專利制備的復(fù)合材料中的鉭在粘結(jié)劑、焦粉中都達(dá)到精細(xì)均勻分布，制造的材料更加均勻，具有更優(yōu)良的性質(zhì)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，成本低，成品率高。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1將軟化點(diǎn)95℃、含鉭2.0wt％的瀝青作為原料(此原料由軟化點(diǎn)68℃的煤瀝青和氯化鉭按100∶4的比例、在350℃下反應(yīng)4小時(shí)制取的，具體方法見專利“一種含鉭炭基復(fù)合材料前驅(qū)體的制備方法”，申請(qǐng)?zhí)?00410064579.4)，把此原料分成兩部分一部分直接作為粘結(jié)劑用，另一部分在氬氣的保護(hù)下煅燒至1200℃成為含鉭焦粉，破碎至100目作為骨料用。取粘結(jié)劑用含鉭瀝青250克和含鉭焦粉750克，一起放入高速球磨機(jī)中研磨4小時(shí)后，在熱壓機(jī)上于30MPa、2500℃下熱壓成型，得到碳化鉭/炭復(fù)合材料。熱壓期間的升溫曲線500℃以前的升溫速度為100℃/小時(shí)，500～1200℃期間的升溫速度150℃/小時(shí)，1200～2500℃的升溫速度為250℃/小時(shí)。所得材料的密度是2.00g/cm3，垂直壓制方向上的抗彎強(qiáng)度是44.5MPa，抗壓強(qiáng)度是95.2MPa。
實(shí)施例2將軟化點(diǎn)114℃、含鉭5.14wt％的瀝青作為原料(此原料由軟化點(diǎn)72℃的煤瀝青和氯化鉭按100∶10的比例、在350℃下反應(yīng)4小時(shí)制取的，具體方法與實(shí)施例1中的方法類似)，把此原料分成兩部分一部分直接作為粘結(jié)劑用，另一部分在氬氣的保護(hù)下煅燒至1300℃成為含鉭焦粉，破碎至200目作為骨料用。取粘結(jié)劑用含鉭瀝青200克和含鉭焦粉800克，一起放入高速球磨機(jī)中研磨6小時(shí)后，在熱壓機(jī)上于40MPa、2600℃下熱壓成型，得到碳化鉭/炭復(fù)合材料。熱壓期間的升溫曲線500℃以前的升溫速度110℃/小時(shí)，500～1200℃期間的升溫速度170℃/小時(shí)，1200～2600℃的升溫速度為280℃/小時(shí)。所得材料的密度是2.08g/cm3，垂直壓制方向上的抗彎強(qiáng)度是51.5MPa，抗壓強(qiáng)度是108.4MPa。
實(shí)施例3將軟化點(diǎn)128℃、含鉭8.33wt％的瀝青作為原料(此原料由軟化點(diǎn)68℃的煤瀝青和氯化鉭按100∶16的比例、在350℃下反應(yīng)4小時(shí)制取的，具體方法與實(shí)施例1中的方法類似)，把此原料分成兩部分一部分直接作為粘結(jié)劑用，另一部分在氬氣的保護(hù)下煅燒至1200℃成為含鉭焦粉，破碎至100目作為骨料用。取粘結(jié)劑用含鉭瀝青150克和含鉭焦粉850克，一起放入高速球磨機(jī)中研磨8小時(shí)后，在熱壓機(jī)上于40MPa、2600℃下熱壓成型，得到碳化鉭/炭復(fù)合材料。熱壓期間的升溫曲線500℃以前的升溫速度120℃/小時(shí)，500～1200℃期間的升溫速度160℃/小時(shí)，1200～2600℃的升溫速度為300℃/小時(shí)。此材料的密度是2.10g/cm3，垂直壓制方向上的抗彎強(qiáng)度是60.8MPa，抗壓強(qiáng)度是129.9MPa。
實(shí)施例4將軟化點(diǎn)150℃、含鉭10.0wt％的瀝青作為原料(此原料由軟化點(diǎn)68℃的煤瀝青和氯化鉭按100∶20的比例、在350℃下反應(yīng)4小時(shí)制取的，具體方法與實(shí)施例1中的方法類似)，把此原料分成兩部分一部分直接作為粘結(jié)劑用，另一部分在氬氣的保護(hù)下煅燒至1200℃成為含鉭焦粉，破碎至200目作為骨料用。取粘結(jié)劑用含鉭瀝青250克和含鉭焦粉750克，一起放入高速球磨機(jī)中研磨6小時(shí)后，在熱壓機(jī)上于40MPa、2600℃下熱壓成型，得到碳化鉭/炭復(fù)合材料。熱壓期間的升溫曲線500℃以前的升溫速度100℃/小時(shí)，500～1200℃期間的升溫速度150℃/小時(shí)，1200～2600℃的升溫速度為300℃/小時(shí)。此材料的密度是2.30g/cm3，垂直壓制方向上的抗彎強(qiáng)度是78.0MPa，抗壓強(qiáng)度是138.3MPa。
權(quán)利要求
1.一種熱壓成型制備碳化鉭/炭復(fù)合材料的方法，其特征在于包括如下步驟1)預(yù)備料將軟化點(diǎn)95～150℃，含鉭2～10wt％的瀝青前驅(qū)體原料分成兩部分，一部分直接作為粘結(jié)劑用；另一部分在氬氣的保護(hù)下煅燒至1200～1300℃成為含鉭焦粉，破碎至200目作為骨料用，以含鉭焦粉粘結(jié)劑瀝青的質(zhì)量比為75～85∶15～25配料，高速球磨4～8小時(shí)；2)熱壓成型在惰性氣氛保護(hù)下，在熱壓機(jī)上一次成型制備產(chǎn)品，壓力為30～50MPa，最高熱壓溫度2500～2600℃，熱壓期間的升溫曲線500℃以前的升溫速度為100～120℃/小時(shí)，500～1200℃期間的升溫速度為150～170℃/小時(shí)，1200～最高溫度期間升溫速度為250～300℃/小時(shí)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種熱壓成型制備碳化鉭/炭復(fù)合材料的方法，其特征在于所述的瀝青原料是采用申請(qǐng)?zhí)枮?00410064579.4的“一種含鉭炭基復(fù)合材料前驅(qū)體的制備方法”發(fā)明專利所述的方法制備的。
全文摘要
一種熱壓成型制備碳化鉭/炭復(fù)合材料的方法是采用專利“一種含鉭炭基復(fù)合材料前驅(qū)體的制備方法”制備的含鉭瀝青前驅(qū)體為原料，以這種瀝青為粘結(jié)劑，煅燒的含鉭焦粉為骨料，采用熱壓一次成型工藝制備的碳化鉭/炭復(fù)合材料。本發(fā)明制備的復(fù)合材料具有機(jī)械強(qiáng)度高，垂直壓制方向的最大抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別達(dá)78.0MPa和138.3MPa，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、成本低，成品率高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C04B35/622GK1730435SQ20051001258
公開日2006年2月8日 申請(qǐng)日期2005年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月7日
發(fā)明者劉朗, 李秀濤, 史景利, 郭全貴 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所