一种C/C-SiC复合材料真空隔热板的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种隔热板的制备方法，特别是涉及一种C/C-SiC复合材料真空隔热板的制备方法。
【背景技术】
[0002]新型高速航天飞行器具有反应时间短、全球快速到达等特点，是世界各航空航天大国竞相开展的空间技术研究焦点之一。某些新型高速航天飞行器的飞行速度可达10马赫，飞行时间可达几十分钟，飞行器机身表面的气动加热异常严重，并且其超高温部位温度可达1600°C以上，这种严酷的热环境加上紧凑的机体结构带来的空间限制，对热防护系统提出了异乎寻常的挑战。热防护系统中采用的隔热材料必须同时具备耐超高温、超低热导率和足够强度等性能特点，才能有效阻隔机身表面或超高温部位的热量往机身内部传播，同时才能承受超高温、急剧热冲击、强烈振动等严酷的热力环境。陶瓷基复合材料具有强度高，能够耐高温等特点，然而这些材料都具有较高的导热系数，如若用做绝热材料势必增加材料的厚度和重量。若将陶瓷基复合材料做为外壳，内部填充绝热芯材，则使得材料既能在高温下使用，不仅重量大大降低，同时也具有低的热导系数。这将具有巨大的应用前景，特别是在国防工业、航空航天等方面。
[0003]文献“复合材料，尹洪峰，魏剑.冶金工业出版社”介绍了由化学液相浸渗法制备的2D C/SiC复合材料在平行碳纤维方向与垂直碳纤维方向的导热系数分别为14?20.6W/m.K和5.9?7W/m.K。文献“单向C/C复合材料导热系数的计算，陈洁，熊翔，肖鹏.炭素技术，2008，27(2):1-4”介绍了单向0/(:复合材料在平行碳纤维方向与垂直碳纤维方向的导热系数分别为 40.65 ?51.12ff/m.K和 3.83?5.96W/m.K。国外文献 “OrtonaA，Gianel Ia S，Pusterla S.An integrated assembly method of sandwich structured ceramicmatrix composites[J].Journal of the European Ceramic Society?2011?31(9):1821-1826.”公开了一种三明治结构复合材料。该材料是由上下两层陶瓷基复合材料层和中间碳化硅泡沫层构成。该材料要比C/C和C/SiC复合材料有更低的导热系数，不过用于其内部并非真空，故其热导率依然相对较大，所以要保证其使用效果，则必将增大碳化硅泡沫层的厚度，以达到隔热效果，这就必将导致材料的重量增加。由以上数据可知，对于一种实心的复合材料，并不能满足极低的导热系数的要求，发明一种具有极低导热系数且能耐超高温的材料则显得极为迫切。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是克服克服传统意义上的真空绝热板无法在高温环境下使用的问题，提供了一种能够在高温下使用的，且导热系数极低的C/C-SiC复合材料真空隔热板的制备方法。
[0005]为实现本发明的目的所采用的技术方案是:(I)在低导热系数材料芯材的外表面包覆一层石墨纸，石墨纸厚度为30-100μπι，芯材是陶瓷泡沫、陶瓷纤维毡、碳纤维毡，芯材气孔率为70%?90%; (2)在石墨纸表面缠绕碳纤维外壳形成预制件，碳纤维外壳由碳纤维预浸布组成，碳纤维外壳也可以由经过编织的碳纤维构成，预制体厚度为2-20_; (3)将预制件放入真空化学气相沉积炉中，升温到900-1200°C，通入丙烯、甲烷、氢气、氩气、氮气，通过化学气相渗透法把丙烯、甲烷分解产生的碳渗入到外壳中，使外壳变成C/C复合材料骨架，外壳的气孔率为5%?20%; (4)采用熔融硅浸渗法，将制备好的样品放入石墨坩祸，用Si粉包埋，将坩祸放入真空炉中加热，真空炉升温速度为l_10°C/min，炉内真空度为10—MOPa，反应温度为1450-1550°C，反应时间为l_2h，制得致密C/C-SiC复合材料外壳；(5)采用化学气相渗透法，将(4)步骤中制得的致密C/C-SiC复合材料外壳继续沉积碳化硅层，沉积时间为10-30h，填封残余微裂纹，得到完全密封的C/C-SiC复合材料外壳；(6)在复合材料外壳底部开一个小圆孔，小孔直径0.(7)将样品平放入真空炉中，开孔面朝上，小孔正上部放置一块熔料，熔料的体积为0.5-1立方厘米；(8)抽真空，使炉内真空度达到IPa以下，温度升到900-1750°C，真空炉升温速度为l_10°C/min，保温l-2h，冷却后取出，得到C/C-SiC复合材料真空隔热板。
[0006]其中:
[0007 ] 步骤(4)所述的硅粉粒径为10-500μπι。
[0008]步骤(7)所述的熔料为块体硅、普通玻璃、块体氧化硅中的一种。
[0009]本发明优点在于:1.所制备的材料能够在1500°C以上环境下使用；2.所制备的材料具有极低的热导系数。
【附图说明】
[0010]图1为一种C/SiC复合材料真空隔热板的截面图；
[0011 ] 10为C/SiC复合材料外壳;20为保温芯材;30为熔料。
【具体实施方式】
[0012]下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
[0013]实施例1
[0014](I)在陶瓷纤维芯材的外表面包覆一层石墨纸，石墨纸厚度为ΙΟΟμπι，芯材气孔率为90%:
[0015](2)在石墨纸表面缠绕碳纤维外壳形成预制件，碳纤维外壳由碳纤维预浸布组成，预制体厚度为3mm;
[0016](3)将预制件放入真空化学气相沉积炉中，升温到1100°C，通入丙烯、氢气、氩气，通过化学气相渗透，使外壳变成C/C复合材料骨架，外壳的气孔率为10%;
[0017](4)采用熔融硅浸渗法，将制备好的样品放入石墨坩祸，用Si粉包埋，将坩祸放入真空炉中加热，真空炉升温速度为10°C/min，炉内真空度为10Pa，反应温度为1500°C，反应时间为Ih，制得致密C/C-SiC复合材料外壳；
[0018](5)采用化学气相渗透法，将(4)步骤中制得的致密C/C-SiC复合材料外壳继续沉积碳化硅层，沉积时间为20h，填封残余微裂纹，得到完全密封的C/C-SiC复合材料外壳；
[0019](6)在复合材料外壳底部开一个小圆孔，小孔直径lmm;
[0020](7)将样品平放入真空炉中，开孔面朝上，小孔正上部放置一块体硅，体积为I立方厘米；
[0021](8)抽真空，使炉内真空度达到10—1Pa,温度升到1500°C，真空炉升温速度为5°C/miη，保温Ih，冷却后取出，得到C/C-SiC复合材料真空隔热板。
[0022]实施例2
[0023](I)在陶瓷纤维芯材的外表面包覆一层石墨纸，石墨纸厚度为50μπι，芯材气孔率为80% ；
[0024](2)在石墨纸表面编织碳纤维外壳形成预制件，预制体厚度为5mm;
[0025](3)将预制件放入真空化学气相沉积炉中，升温到1000°C，通入甲烷、氢气、氩气，通过化学气相渗透，使外壳变成C/C复合材料骨架，外壳的气孔率为10%;
[0026](4)采用熔融硅浸渗法，将制备好的样品放入石墨坩祸，用Si粉包埋，将坩祸放入真空炉中加热，真空炉升温速度为10°C/min，炉内真空度为IPa，反应温度为1500°C，反应时间为Ih，制得致密C/C-SiC复合材料外壳；
[0027](5)采用化学气相渗透法，将(4)步骤中制得的致密C/C-SiC复合材料外壳继续沉积碳化硅层，沉积时间为30h，填封残余微裂纹，得到完全密封的C/C-SiC复合材料外壳；
[0028](6)在复合材料外壳底部开一个小圆孔，小孔直径2mm;
[0029](7)将样品平放入真空炉中，开孔面朝上，小孔正上部放置一块普通玻璃，体积为I立方厘米；
[0030](8)抽真空，使炉内真空度达到10—1Pa,温度升到900°C，真空炉升温速度为10°C/miη，保温Ih，冷却后取出，得到C/C-SiC复合材料真空隔热板。
[0031]上述仅为本发明的单个【具体实施方式】，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
【主权项】
1.一种C/C-SiC复合材料真空隔热板的制备方法，其特征在于包括下述顺序步骤: (1)在低导热系数材料芯材的外表面包覆一层石墨纸，石墨纸厚度为30-100μπι，芯材是陶瓷泡沫、陶瓷纤维毡、碳纤维毡，芯材气孔率为70%?90% ; (2)在石墨纸表面缠绕碳纤维外壳形成预制件，碳纤维外壳由碳纤维预浸布组成，碳纤维外壳也可以由经过编织的碳纤维构成，预制体厚度为2-20_; (3)将预制件放入真空化学气相沉积炉中，升温到900-1200°C，通入丙烯、甲烷、氢气、氩气、氮气，通过化学气相渗透法把丙烯、甲烷分解产生的碳渗入到外壳中，使外壳变成C/C复合材料骨架，外壳的气孔率为5%?20% ; (4)采用熔融硅浸渗法，将制备好的样品放入石墨坩祸，用Si粉包埋，将坩祸放入真空炉中加热，真空炉升温速度为l_10°C/min，炉内真空度为10—llOPa，反应温度为1450-15500C，反应时间为l_2h，制得致密C/C-SiC复合材料外壳； (5)采用化学气相渗透法，将(4)步骤中制得的致密C/C-SiC复合材料外壳继续沉积碳化硅层，沉积时间为10-30h，填封残余微裂纹，得到完全密封的C/C-SiC复合材料外壳； (6)在复合材料外壳底部开一个小圆孔，小孔直径0.1-2mm ； (7)将样品平放入真空炉中，开孔面朝上，小孔正上部放置一块熔料，熔料的体积为0.5-1立方厘米； (8)抽真空，使炉内真空度达到IPa以下，温度升到900-1750°C，真空炉升温速度为1-10°C /miη，保温1-2h，冷却后取出，得到C/C-SiC复合材料真空隔热板。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述的硅粉粒径为10-500μπι。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(7)所述的熔料为块体硅、普通玻璃、块体氧化硅中的一种。
【专利摘要】本发明公开了一种C/C-SiC复合材料真空隔热板的制备方法，首先在包覆有石墨纸的保温芯材表面制备一层碳纤维预制体；再采用化学气相渗透法在碳纤维表面制备一层热解碳；然后采用熔融硅浸渗法，将制备好的样品放入石墨坩埚，用Si粉包埋，将坩埚放入真空炉中加热，反应温度为1450-1550℃，采用化学气相渗透法沉积碳化硅层填封残余微裂纹，最后在复合材料外壳底部开一个小圆孔，在真空环境下用熔料填封小孔，得到C/C-SiC复合材料真空隔热板。通过该方法所制得的C/SiC复合材料真空隔热板材料能够在1500℃以上环境下使用，具有低的热导系数。
【IPC分类】C04B35/83, C04B35/573
【公开号】CN105645966
【申请号】
【发明人】陈照峰, 汪洋, 余盛杰
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2015年12月30日