C∕C-TaC复合材料制备技术研究

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1、第27卷第1期航天器环境工程2010年2月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING45C／C．TaC复合材料制备技术研究熊翔，张红波，肖鹏，李国栋，李江鸿，陈招科(中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙410083)摘要：难熔金属碳化物的加入可有效提高C／C材料的抗烧蚀性能，并成为近年来国内外研究的热点。文章主要介绍了中南大学在难熔金属碳化物TaC改性C／C材料制备技术方面的研究工作，主要包括含有1．a205的树脂／沥青浸渍．高温处理原位反应生成TaC的工艺方法，用含有有机Ta的树脂浸渍

2、．高温处理原位反应生成TaC的工艺方法、预制体编织过程中加入TaC制备C／C．TaC的工艺方法、基于化学气相渗透法制备TaC及SiC／TaC中间界面层改性C／C材料的工艺技术以及基于化学气相沉积法制备抗烧蚀TaC及SiC／TaC难熔金属碳化物涂层的工艺技术。关键词：C／C复合材料；TaC；烧蚀；基体改性；化学气相沉积；化学气相渗透中图分类号：TB33文献标识码：A文章编号：1673-1379(2010)0卜0045-05DoI：10．3969／j．issn．1673-1379．2010．01．0081前言炭／

3、炭(C／C)复合材料具有比强度和比刚度高、比重小、导热导电性好、膨胀率低、高摩擦性、耐热冲击和耐烧蚀等优点，使其成为航空、航天、核能及许多民用工业领域耐热结构的关键材料【l】。然而，C／C的优异性能只有在无氧的条件下才能得到保持；在有氧条件下C／C材料会在450oC迅速氧化，从而影响其上述优异性能。20世纪70年代初，美国开展了热结构用C／C复合材料的研究，使C／C复合材料由烧灼防热材料向热结构材料发展。C／C复合材料可用作燃气涡轮发动机结构部件、航天飞机的鼻锥帽、机翼前缘、小翼翼盒和机身襟翼等热结构材料，而

4、这些应用不可避免地要在高温和有氧环境下使用【2J。例如，业已应用于航天飞机机翼前缘和鼻锥的C／C复合材料再入大气层时需承受1538℃的高温氧化，并要满足可重复使用的有限寿命要求[3】。面对如此苛刻的工作条件，耐烧蚀性能优良的C／C复合材料已渐难满足要求。因此，研制抗烧蚀性能优异的C／C复合材料具有重要意义。HfC、TaC、NbC、ZrC等难熔金属碳化物的加入可有效提高C／C复合材料的抗烧蚀性能，这成为近年来国内外研究的热点。例如，美、法、俄等国均已成功开发出含难熔金属碳化物表面涂层的C／C复合材料或难熔金属碳

5、化物基体改性的C／C复合材料，并通过同体火箭发动机点火试验演示验证了这些材料的性能【4。6】。同时，美国还开展了新型炭纤维增强TaC、HfC金属陶瓷基复合材料的研究【_凡81，为我们展示了C／C喉衬材料发展的新动向。而在国内，西北工业大学、西安航天复合材料研究所、中国航天科技集团公司一院703研究所、哈尔滨工业大学、中国科学院沈阳金属研究所等单位也相继在TaC、Z坨、HfC等难熔金属碳化物及SiC改性技术方面开展了研究【9d51。综合分析以上研究可知，将难熔金属碳化物加入至Uc／c复合材料中的方法主要有：(1

6、)将难熔金属碳化物直接添加到C／C复合材料中的液相浸渍．先驱体转化法、难熔金属熔盐浸渍预制件、陶瓷粉末渗透预制件、陶瓷粉末涂刷预制件等基体改性技术；(2)将难熔金属丝与炭纤维毡混编，在后续致密化过程中与热解炭原位反应生成碳化物的难熔金属丝混编技术；(3)在C／C复合材料表面形成外部涂层对C／C复合材料加以保护的涂层技术。从2002年开始，中南大学也开展了难熔金属碳化物尤其是TaC基体改性C／C复合材料、化学气相沉积TaC涂层技术的研究，已积累了丰富的工作收稿日期：2009．11-04：修回日期：2010—01

7、．06基金项目：国家自然科学基金项目(50872154，50721003)资助作者简介：熊翔(1963．)，男，教授，博士生导师，长江学者，主要从事高性能C／C复合材料、粉末冶金摩擦材料的研究。联系电话：(0731)88836079；E—mail：xion9228@sina．com。航天器环境工程2010年第27卷经验。同时，结合摹体改性和涂层技术的优点，中南大学还发明了一种用化学气相渗透(CVI)方法在C／C复合材料中沉积难熔金属碳化物(TaC或SiC／TaC)的中间界面层改性C／C复合材料技术。本文主要介

8、绍了中南大学在C／C—TaC抗烧蚀材料制备技术办面所取得的一些成果。2难熔金属碳化物基体改性C／C材料技术2．1含有1’a205的树脂／沥青浸渍一高温处理原位反应生成TaC的工艺方法该方法的工艺路线为：低密度C／C复合材料_用含有Ta205的树脂／沥青悬浮液浸渍_崮化处理一高温热处理使1'a205与C反应生成TaC_获得C／C．TaC复合材料。利用该工艺方法在C／C复合材料上制备了TaC，实现对C／