CN110983208A - 一种C/C-SiC-Cu复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种C/C-SiC-Cu复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种C/C‑SiC‑Cu复合材料及其制备方法和应用。所述C/C‑SiC‑Cu陶瓷基复合材料由C纤维、C基体、SiC基体和Cu合金组成，所述C基体包覆在C纤维上，所述SiC基体包覆在C基体上，所述Cu合金组成与SiC基体接触并形成冶金结合。其制备方法为：通过化学气相渗透法与压力熔渗法相结合的方式使C、SiC、Cu三相共存。本发明所设计和制备的复合材料具有强度高、耐高温、抗氧化、抗热震、耐烧蚀等优良性能。其特别适用于热防护部件、尤其适用于飞行器上所用热防护部件。

Description

一种C/C-SiC-Cu复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于热防护性材料设计与制备技术领域，具体涉及一种C/C-SiC-Cu复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
高超音速音速飞行器作为未来航空领域的制高点，其技术“热浪”席转全球。新型高超声速具有反应速度快、突防能力强、破坏性大的特点。巨大的军事价值和潜在的商业价值使其受到世界航空航天强国的广泛重视与深入研究。足够先进的热防护技术能够使飞行器在特定的高度层以高超音速持续滑翔。由于飞行器在再入飞行过程中所承受的飞行环境恶劣，并且随着飞行器性能的提高，对其关键部位的热防护性能也提出了更高的要求。
传统难熔金属及其合金材料密度大、热导率高；C/SiC复合材料具有低密度、高比强度及耐烧蚀等特点，但其在2000℃开始软化；C/C复合材料使用温度虽然可以达到2800℃，但其抗氧化涂层的温度不超过1650℃。
文献“冉丽萍.C/C-Cu复合材料的烧蚀性能及烧蚀机理[J].中国有色金属学报,2010,20(3):510-515”采用真空熔渗技术制备新型C/C-Cu复合材料。通过活性元素Ti改善熔融Cu与C/C复合材料的润湿性，有效的提高了C/C复合材料的抗烧蚀性能。
文献“左亚卓,李红,耿真真.C/C-SiC复合材料的制备及其烧蚀性能[J].上海大学学报(自然科学版),2017,23(6).”利用化学气相渗透与前驱体浸渍裂解复合工艺制备C/C-SiC复合材料。烧蚀过渡区,熔融SiO2能够弥合材料的裂纹、孔隙等缺陷,阻挡氧化性气氛进入材料内部,使材料表现出优异的抗烧蚀性能.传统金属材料的使用温度已经接近其极限，不能完全满足飞行器的使用要求。需制备出新型耐超高温、抗氧化和抗烧蚀复合材料。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷上，提供了一种优良力学性能及耐超高温性能的复合材料及其制备方式和应用。
本发明一种C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料，由C纤维、C基体、SiC基体和Cu合金组成，其通过化学气相渗透法(CVI)与压力熔渗法相结合的方式使C、SiC、Cu三相共存；所述C基体包覆在C纤维上，所述SiC基体包覆在C基体上，所述Cu合金组成与SiC基体接触并形成冶金结合。
本发明一种C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料，所述的C纤维所占的体积分数为15-30％。
本发明一种C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料，所述的C基体所占的体积分数为10-40％。在本发明中C基体为热解炭。
本发明一种C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料，所述的SiC基体所占的体积分数为5％-30％。
本发明一种C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料，所述的Cu基体所占的体积分数为5％-40％。
本发明一种C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料的制备方法，包括下述步骤：
步骤1、炭纤维预制体的制备：
步骤1.1、将长炭纤维丝束按一定方向平行均匀排列，经浸胶和涂胶处理后，在纬向按一定间隔编入某种纤维丝，并对无纬布边缘进行锁边处理，以使保证无纬布的整体性；
步骤1.2、按照一定比例选取不同长度的短切炭纤维束，经处理后形成单根状纤维丝，而后通过成网工艺和铺网工艺，将其制成纤维网，预制成网胎；
步骤1.3、将经前两步骤所得的无纬布和网胎，按照一定次序循环叠加至一定厚度，然后利用倒钩刺针按照一定的顺序和刺入深度对其进行针刺，这使得网胎层中的纤维垂直刺入相邻的无纬布层，从而制得2.5D炭纤维预制体，预制体密度为0.30-0.60g/cm3；
步骤2、制备C/C多孔体：将步骤1得到的2.5D炭纤维预制体通过80-180h化学气相渗透沉积热解炭，得到密度为0.6-1.50g/cm3的C/C多孔体，然后在氩气气氛下进行高温热处理，热处理温度为2000-2300℃；
步骤3、制备C/C-SiC多孔体：将步骤2得到的C/C多孔体置于气相沉积炉中，反应气体为有机硅、优选为三氯甲基硅烷，沉积温度为1200～1300℃，沉积时间为25-200h；
步骤4、制备C/C-SiC-Cu复合材料：将步骤3得到的C/C-SiC陶瓷基复合材料采用压力熔渗法获得C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料，熔渗温度为1100～1300℃，压力为20～40MPa。
本发明一种C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料的制备方法，所述步骤3通入氢气、载气氢气、氩气的流量分别为900～1000ml/min、优选为960ml/min，700～900ml/min、优选为,720ml/min，900～1000ml/min、优选为960ml/min。
本发明所设计和制备的C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料；所得C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料的密度为2.0-2.3g/cm3、热导率为4.3～7.2W/M/K、优选为4.9～7.2W/M/K，冲击强度为3.,7～4.4J·CM-2、压缩强度为102～165MPA、优选为140～165MPa，抗弯强度为97.3-199.4MPa。
本发明所设计和制备的C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料；当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为11.8％，SiC基体所占的体积分数为28％，Cu基体所占的体积分数为8.5％，其余为均匀分布的孔隙时，其在2500℃下按照国标GJB323A-96进行烧蚀率检测，烧蚀10s时，试样的质量烧蚀速度为6.66μg/s，线烧蚀速度为1μm/s；烧蚀20s时，试样的质量烧蚀速度为9.6μg/s，线烧蚀速度为6.2μm/s；
当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为20％，Cu基体所占的体积分数为8.5％，其余为均匀分布的孔隙时，其在2500℃下按照国标GJB323A-96进行烧蚀率检测，烧蚀10s时，试样的质量烧蚀速度为8.39μg/s，线烧蚀速度为-3.5μm/s；烧蚀20s时，试样的质量烧蚀速度为9.27μg/s，线烧蚀速度为-1.8μm/s；
当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为13％，Cu基体所占的体积分数为7.4％，其余为均匀分布的孔隙时，其在2500℃下按照国标GJB323A-96进行烧蚀率检测，烧蚀10s时，试样的质量烧蚀速度为2.25μg/s，线烧蚀速度为-1.6μm/s；烧蚀20s时，试样的质量烧蚀速度为1.24μg/s，线烧蚀速度为-0.7μm/s；
当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为9％，Cu基体所占的体积分数为7.8％，其余为均匀分布的孔隙时，其在2500℃下按照国标GJB323A-96进行烧蚀率检测，烧蚀10s时，试样的质量烧蚀速度为1.8μg/s，线烧蚀速度为1μm/s；烧蚀20s时，试样的质量烧蚀速度为11.78μg/s，线烧蚀速度为8μm/s；
当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为5％，Cu基体所占的体积分数为8.5％，其余为均匀分布的孔隙时，其在2500℃下按照国标GJB323A-96进行烧蚀率检测，烧蚀10s时，试样的质量烧蚀速度为8.64μg/s，线烧蚀速度为8.3μm/s；烧蚀20s时，试样的质量烧蚀速度为12.65μg/s，线烧蚀速度为11.6μm/s。
本发明一种C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料的制备方法当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为11.8％，SiC基体所占的体积分数为28％，Cu基体所占的体积分数为8.5％，其热导率为4.89W/M/K，冲击强度为4.4J·CM-2，压缩强度为145.8MPa，抗弯强度为166.5MPa；
当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为20％，Cu基体所占的体积分数为8.5％，其余为均匀分布的孔隙时，其热导率为7.156W/M/K，冲击强度为4.133J·CM-2，压缩强度为164.8MPa，抗弯强度为199.4MPa；
当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为13％，Cu基体所占的体积分数为7.4％，其余为均匀分布的孔隙时，其热导率为6.8W/M/K，冲击强度为3.7J·CM-2，压缩强度为147.5MPa，抗弯强度为131.4MPa；
当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为9％，Cu基体所占的体积分数为7.8％，其余为均匀分布的孔隙时，其热导率为5.23W/M/K，冲击强度为3.9J·CM-2，压缩强度为122.1MPa，抗弯强度为124.1MPa；
当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为5％，Cu基体所占的体积分数为8.5％，其余为均匀分布的孔隙时，其热导率为4.325W/M/K，冲击强度为4.2J·CM-2，压缩强度为105MPa，抗弯强度为97.4MPa。
本发明所设计和制备的C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料；其可以用于热防护部件。作为优选方案，所述热防护部件为飞行器上所用热防护部件。
原理和优势
本发明通过控制C纤维所占的体积分数为15-30％、C基体所占的体积分数为10-40％、SiC基体所占的体积分数为5％-30％、Cu基体所占的体积分数为5％-40％；结合制备工艺及合理的条件参数，得到了性能优越的产品。
本发明经过优化后，当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为13％，Cu基体所占的体积分数为7.4％，其余为均匀分布的孔隙时，其在2500℃下按照国标GJB323A-96进行烧蚀率检测，烧蚀10s时，试样的质量烧蚀速度为2.25μg/s，线烧蚀速度为-1.6μm/s；烧蚀20s时，试样的质量烧蚀速度为1.24μg/s，线烧蚀速度为-0.7μm/s以及当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为20％，Cu基体所占的体积分数为8.5％，其余为均匀分布的孔隙时，其在2500℃下按照国标GJB323A-96进行烧蚀率检测，烧蚀10s时，试样的质量烧蚀速度为8.39μg/s，线烧蚀速度为-3.5μm/s；烧蚀20s时，试样的质量烧蚀速度为9.27μg/s，线烧蚀速度为-1.8μm/s。这大大超出了当时的实验预计。尤其是该复合材料并非全致密材料，但其按照国标GJB323A-96进行，在检测过程中，发现其在烧蚀20s的质量烧蚀速度已经远远低于烧蚀10s时的速度，这已经完全超出当时的预计。
附图说明
附图1为本发明所设计的C/C-SiC-Cu复合材料的制备流程图；
附图2为实施例1所得试样的微观组织形貌图。
附图3为实施例2所得试样的微观组织形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。
实施例1
一种C/C-SiC-Cu复合材料，由C纤维、C基体、SiC基体和Cu合金组成，其特征是通过化学气相渗透法(CVI)与压力熔渗法相结合的方式使C、SiC、Cu三相共存。所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为11.8％，SiC基体所占的体积分数为28％，Cu基体所占的体积分数为8.5％，其余为均匀分布的孔隙。
本实施例中，所设计的C/C-SiC-Cu复合材料其制备包括下述顺序的步骤：
步骤1、炭纤维预制体的制备：
步骤1.1、将长炭纤维丝束按一定方向平行均匀排列，经浸胶和涂胶处理后，在纬向按一定间隔编入某种纤维丝，并对无纬布边缘进行锁边处理，以使保证无纬布的整体性；
步骤1.2、按照一定比例选取不同长度的短切炭纤维束，经处理后形成单根状纤维丝，而后通过成网工艺和铺网工艺，将其制成纤维网，预制成网胎；
步骤1.3、将经前两步骤所得的无缂布和网胎，按照一定次序循环叠加至一定厚度，然后利用倒钩刺针按照一定的顺序和刺入深度对其进行针刺，这使得网胎层中的纤维垂直刺入相邻的无纬布层，从而制得2.5D炭纤维预制体，预制体密度为0.45g/cm3；
步骤2、制备C/C多孔体：将步骤1得到的炭纤维预制体通过化学气相渗透沉积热解炭150h，得到密度为0.68g/cm3的C/C多孔体，然后在氩气气氛下进行高温热处理，热处理温度为2000-2300℃；
步骤3、制备C/C-SiC陶瓷基复合材料：将步骤2得到的C/C多孔体置于气相沉积炉中，反应气体为三氯甲基硅烷，沉积温度为1250℃，沉积时间为150h；
步骤4、制备C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料：将步骤3得到的C/C-SiC陶瓷基复合材料采用压力熔渗法获得C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料，熔渗温度为1150℃，压力为20MPa。
所述的C/C-SiC复合材料的制备通入稀释用氢气、载气用氢气、氩气的流量分别为960ml/min、720ml/min、960ml/min。
得到的C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料微观组织如图2所示，炭纤维与热解碳、热解碳与SiC、SiC与铜合金基体三者的界面结合良好，没有发现明显缺陷，复合材料致密性较好。密度为2.27g/cm3，热导率为4.89W/M/K，冲击强度为4.4J·CM-2，压缩强度为145.8MPa，抗弯强度为166.5MPa。在2500℃下的检测烧蚀率(按照国标GJB323A-96进行)，烧蚀10s时，试样的质量烧蚀速度为6.66μg/s，线烧蚀速度为1μm/s；烧蚀20s时，试样的质量烧蚀速度为9.6μg/s，线烧蚀速度为6.2μm/s。
实施例2
一种C/C-SiC-Cu复合材料，由C纤维、C基体、SiC基体和Cu合金组成，其特征是通过化学气相渗透法(CVI)与压力熔渗法相结合的方式使C、SiC、Cu三相共存。所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为20％，Cu基体所占的体积分数为8.5％。
本实施例中，所设计的C/C-SiC-Cu复合材料其制备包括下述顺序的步骤：
步骤1、炭纤维预制体的制备：
步骤1.1、将长炭纤维丝束按一定方向平行均匀排列，经浸胶和涂胶处理后，在纬向按一定间隔编入某种纤维丝，并对无玮布边缘进行锁边处理，以使保证无纬布的整体性；
步骤1.2、按照一定比例选取不同长度的短切炭纤维束，经处理后形成单根状纤维丝，而后通过成网工艺和铺网工艺，将其制成纤维网，预制成网胎；
步骤1.3、将经前两步骤所得的无缂布和网胎，按照一定次序循环叠加至一定厚度，然后利用倒钩刺针按照一定的顺序和刺入深度对其进行针刺，这使得网胎层中的纤维垂直刺入相邻的无纬布层，从而制得2.5维炭纤维预制体，预制体密度为0.45g/cm3；
步骤2、制备C/C多孔体：将步骤1得到的炭纤维预制体通过化学气相渗透沉积热解炭180h，得到密度为0.98g/cm3的C/C多孔体，然后在氩气气氛下进行高温热处理，热处理温度为2000-2300℃；
步骤3、制备C/C-SiC陶瓷基复合材料：将步骤2得到的C/C多孔体置于气相沉积炉中，反应气体为三氯甲基硅烷，沉积温度为1250℃，沉积时间为150h；
步骤4、制备C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料：将步骤3得到的C/C-SiC陶瓷基复合材料采用压力熔渗法获得C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料，熔渗温度为1150℃，压力为20MPa。
所述的C/C-SiC复合材料的制备通入稀释用氢气、载气用氢气、氩气的流量分别为960ml/min、720ml/min、960ml/min。
得到的C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料微观组织如图3所示，炭纤维与热解碳、热解碳与SiC、SiC与铜合金基体三者的界面结合良好，没有发现明显缺陷，复合材料致密性较好。密度为23g/cm3，热导率为7.156W/M/K，冲击强度为4.133J·CM-2，压缩强度为164.8MPa，抗弯强度为199.4MPa。在2500℃下的检测烧蚀率(按照国标GJB323A-96进行)，烧蚀10s时，试样的质量烧蚀速度为8.39μg/s，线烧蚀速度为-3.5μm/s；烧蚀20s时，试样的质量烧蚀速度为9.27μg/s，线烧蚀速度为-1.8μm/s。
实施例3
一种C/C-SiC-Cu复合材料，由C纤维、C基体、SiC基体和Cu合金组成，其特征是通过化学气相渗透法(CVI)与压力熔渗法相结合的方式使C、SiC、Cu三相共存。所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为13％，Cu基体所占的体积分数为7.4％。
本实施例中，所设计的C/C-SiC-Cu复合材料其制备包括下述顺序的步骤：
步骤1、炭纤维预制体的制备：
步骤1.1、将长炭纤维丝束按一定方向平行均匀排列，经浸胶和涂胶处理后，在纬向按一定间隔编入某种纤维丝，并对无玮布边缘进行锁边处理，以使保证无纬布的整体性；
步骤1.2、按照一定比例选取不同长度的短切炭纤维束，经处理后形成单根状纤维丝，而后通过成网工艺和铺网工艺，将其制成纤维网，预制成网胎；
步骤1.3、将经前两步骤所得的无缂布和网胎，按照一定次序循环叠加至一定厚度，然后利用倒钩刺针按照一定的顺序和刺入深度对其进行针刺，这使得网胎层中的纤维垂直刺入相邻的无纬布层，从而制得2.5维炭纤维预制体，预制体密度为0.45g/cm3；
步骤2、制备C/C多孔体：将步骤1得到的炭纤维预制体通过化学气相渗透沉积热解炭180h，得到密度为0.98g/cm3的C/C多孔体，然后在氩气气氛下进行高温热处理，热处理温度为2000-2300℃；
步骤3、制备C/C-SiC陶瓷基复合材料：将步骤2得到的C/C多孔体置于气相沉积炉中，反应气体为三氯甲基硅烷，沉积温度为1250℃，沉积时间为100h；
步骤4、制备C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料：将步骤3得到的C/C-SiC陶瓷基复合材料采用压力熔渗法获得C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料，熔渗温度为1150℃，压力为20MPa。
所述的C/C-SiC复合材料的制备通入稀释用氢气、载气用氢气、氩气的流量分别为960ml/min、720ml/min、960ml/min。
得到的C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中炭纤维与热解碳、热解碳与SiC、SiC与铜合金基体三者的界面结合良好，没有发现明显缺陷，复合材料致密性较好。密度为2.18g/cm3，热导率为6.8W/M/K，冲击强度为3.7J·CM-2，压缩强度为147.5MPa，抗弯强度为131.4MPa。在2500℃下的检测烧蚀率(按照国标GJB323A-96进行)，烧蚀10s时，试样的质量烧蚀速度为2.25μg/s，线烧蚀速度为-1.6μm/s；烧蚀20s时，试样的质量烧蚀速度为1.24μg/s，线烧蚀速度为-0.7μm/s。
实施例4
一种C/C-SiC-Cu复合材料，由C纤维、C基体、SiC基体和Cu合金组成，其特征是通过化学气相渗透法(CVI)与压力熔渗法相结合的方式使C、SiC、Cu三相共存。所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为9％，Cu基体所占的体积分数为7.8％。
本实施例中，所设计的C/C-SiC-Cu复合材料其制备包括下述顺序的步骤：
步骤1、炭纤维预制体的制备：
步骤1.1、将长炭纤维丝束按一定方向平行均匀排列，经浸胶和涂胶处理后，在纬向按一定间隔编入某种纤维丝，并对无玮布边缘进行锁边处理，以使保证无纬布的整体性；
步骤1.2、按照一定比例选取不同长度的短切炭纤维束，经处理后形成单根状纤维丝，而后通过成网工艺和铺网工艺，将其制成纤维网，预制成网胎；
步骤1.3、将经前两步骤所得的无缂布和网胎，按照一定次序循环叠加至一定厚度，然后利用倒钩刺针按照一定的顺序和刺入深度对其进行针刺，这使得网胎层中的纤维垂直刺入相邻的无纬布层，从而制得2.5维炭纤维预制体，预制体密度为0.45g/cm3；
步骤2、制备C/C多孔体：将步骤1得到的炭纤维预制体通过化学气相渗透沉积热解炭180h，得到密度为0.98g/cm3的C/C多孔体，然后在氩气气氛下进行高温热处理，热处理温度为2000-2300℃；
步骤3、制备C/C-SiC陶瓷基复合材料：将步骤2得到的C/C多孔体置于气相沉积炉中，反应气体为三氯甲基硅烷，沉积温度为1250℃，沉积时间为50h；
步骤4、制备C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料：将步骤3得到的C/C-SiC陶瓷基复合材料采用压力熔渗法获得C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料，熔渗温度为1150℃，压力为20MPa。
所述的C/C-SiC复合材料的制备通入稀释用氢气、载气用氢气、氩气的流量分别为960ml/min、720ml/min、960ml/min。
得到的C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中炭纤维与热解碳、热解碳与SiC、SiC与铜合金基体三者的界面结合良好，没有发现明显缺陷，复合材料致密性较好。密度为2.01g/cm3，热导率为5.23W/M/K，冲击强度为3.9J·CM-2，压缩强度为122.1MPa，抗弯强度为124.1MPa。在2500℃下的检测烧蚀率(按照国标GJB323A-96进行)，烧蚀10s时，试样的质量烧蚀速度为1.8μg/s，线烧蚀速度为1μm/s；烧蚀20s时，试样的质量烧蚀速度为11.78μg/s，线烧蚀速度为8μm/s。
实施例5
一种C/C-SiC-Cu复合材料，由C纤维、C基体、SiC基体和Cu合金组成，其特征是通过化学气相渗透法(CVI)与压力熔渗法相结合的方式使C、SiC、Cu三相共存。所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为5％，Cu基体所占的体积分数为8.5％。
本实施例中，所设计的C/C-SiC-Cu复合材料其制备包括下述顺序的步骤：
步骤1、炭纤维预制体的制备：
步骤1.1、将长炭纤维丝束按一定方向平行均匀排列，经浸胶和涂胶处理后，在纬向按一定间隔编入某种纤维丝，并对无玮布边缘进行锁边处理，以使保证无纬布的整体性；
步骤1.2、按照一定比例选取不同长度的短切炭纤维束，经处理后形成单根状纤维丝，而后通过成网工艺和铺网工艺，将其制成纤维网，预制成网胎；
步骤1.3、将经前两步骤所得的无缂布和网胎，按照一定次序循环叠加至一定厚度，然后利用倒钩刺针按照一定的顺序和刺入深度对其进行针刺，这使得网胎层中的纤维垂直刺入相邻的无纬布层，从而制得2.5维炭纤维预制体，预制体密度为0.45g/cm3；
步骤2、制备C/C多孔体：将步骤1得到的炭纤维预制体通过化学气相渗透沉积热解炭180h，得到密度为0.98g/cm3的C/C多孔体，然后在氩气气氛下进行高温热处理，热处理温度为2000-2300℃；
步骤3、制备C/C-SiC陶瓷基复合材料：将步骤2得到的C/C多孔体置于气相沉积炉中，反应气体为三氯甲基硅烷，沉积温度为1250℃，沉积时间为25h；
步骤4、制备C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料：将步骤3得到的C/C-SiC陶瓷基复合材料采用压力熔渗法获得C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料，熔渗温度为1150℃，压力为20MPa。
所述的C/C-SiC复合材料的制备通入稀释用氢气、载气用氢气、氩气的流量分别为960ml/min、720ml/min、960ml/min。
得到的C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中炭纤维与热解碳、热解碳与SiC、SiC与铜合金基体三者的界面结合良好，没有发现明显缺陷，复合材料致密性较好。密度为1.94g/cm3，热导率为4.325W/M/K，冲击强度为4.2J·CM-2，压缩强度为105MPa，抗弯强度为97.4MPa。在2500℃下的检测烧蚀率(按照国标GJB323A-96进行)，烧蚀10s时，试样的质量烧蚀速度为8.64μg/s，线烧蚀速度为8.3μm/s；烧蚀20s时，试样的质量烧蚀速度为12.65μg/s，线烧蚀速度为11.6μm/s。

Claims (10)

1.一种C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料，其特征在于：所述C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料由C纤维、C基体、SiC基体和Cu合金组成，其通过化学气相渗透法与压力熔渗法相结合的方式使C、SiC、Cu三相共存；所述C基体包覆在C纤维上，所述SiC基体包覆在C基体上，所述Cu合金组成与SiC基体接触并形成冶金结合。
2.根据权利要求1所述的一种C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料，其特征在于：
所述的C纤维所占的体积分数为15-30％；
所述的C基体所占的体积分数为10-40％；
所述的SiC基体所占的体积分数为5％-30％；
所述的Cu基体所占的体积分数为5％-40％。
3.根据权利要求1所述的一种C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料，其特征在于：所述C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料含有均匀分布的孔隙，其孔隙率为35％～20％。
4.根据权利要求3所述的一种C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料，其特征在于：所述C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料含有均匀分布的孔隙，其孔隙率为21％～20％。
5.一种制备如权利要求1-4任意一项所述C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料的方法，其特征在于；包括下述步骤：
步骤1、炭纤维预制体的制备：
步骤1.1、将长炭纤维丝束按一定方向平行均匀排列，经浸胶和涂胶处理后，在纬向按一定间隔编入某种纤维丝，并对无纬布边缘进行锁边处理，以使保证无纬布的整体性；
步骤1.2、按照一定比例选取不同长度的短切炭纤维束，经处理后形成单根状纤维丝，而后通过成网工艺和铺网工艺，将其制成纤维网，预制成网胎；
步骤1.3、将经前两步骤所得的无纬布和网胎，按照一定次序循环叠加至一定厚度，然后利用倒钩刺针按照一定的顺序和刺入深度对其进行针刺，这使得网胎层中的纤维垂直刺入相邻的无纬布层，从而制得2.5D炭纤维预制体，预制体密度为0.30-0.60g/cm3；
步骤2、制备C/C多孔体：将步骤1得到的2.5D炭纤维预制体通过化学气相渗透沉积热解炭，得到密度为0.7-1.50g/cm3的C/C多孔体，然后在氩气气氛下进行高温热处理，热处理温度为2000-2300℃；
步骤3、制备C/C-SiC多孔体：将步骤2得到的C/C多孔体置于气相沉积炉中，反应气体为有机硅，沉积温度为1200～1300℃，沉积时间为25-200h；
步骤4、制备C/C-SiC-Cu复合材料：将步骤3得到的C/C-SiC陶瓷基复合材料采用压力熔渗法获得C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料，熔渗温度为1100～1300℃，压力为20～40MPa。
6.根据权利要求5所述的一种C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3通入稀释用氢气、载气用氢气、氩气的流量分别为900～1000ml/min、700～900ml/min、900～1000ml/min。
7.根据权利要求5所述的一种C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：所得C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料的密度为2.0-2.3g/cm3、热导率为4.3～7.2W/M/K、优选为4.9～7.2W/M/K，冲击强度为3.,7～4.4J·CM-2、压缩强度为102～165MPA、优选为140～165MPa，抗弯强度为97.3-199.4MPa。
8.根据权利要求5所述的一种C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为11.8％，SiC基体所占的体积分数为28％，Cu基体所占的体积分数为8.5％，其余为均匀分布的孔隙时，其在2500℃下按照国标GJB323A-96进行烧蚀率检测，烧蚀10s时，试样的质量烧蚀速度为6.66μg/s，线烧蚀速度为1μm/s；烧蚀20s时，试样的质量烧蚀速度为9.6μg/s，线烧蚀速度为6.2μm/s；
当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为20％，Cu基体所占的体积分数为8.5％，其余为均匀分布的孔隙时，其在2500℃下按照国标GJB323A-96进行烧蚀率检测，烧蚀10s时，试样的质量烧蚀速度为8.39μg/s，线烧蚀速度为-3.5μm/s；烧蚀20s时，试样的质量烧蚀速度为9.27μg/s，线烧蚀速度为-1.8μm/s；
当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为13％，Cu基体所占的体积分数为7.4％，其余为均匀分布的孔隙时，其在2500℃下按照国标GJB323A-96进行烧蚀率检测，烧蚀10s时，试样的质量烧蚀速度为2.25μg/s，线烧蚀速度为-1.6μm/s；烧蚀20s时，试样的质量烧蚀速度为1.24μg/s，线烧蚀速度为-0.7μm/s；
当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为9％，Cu基体所占的体积分数为7.8％，其余为均匀分布的孔隙时，其在2500℃下按照国标GJB323A-96进行烧蚀率检测，烧蚀10s时，试样的质量烧蚀速度为1.8μg/s，线烧蚀速度为1μm/s；烧蚀20s时，试样的质量烧蚀速度为11.78μg/s，线烧蚀速度为8μm/s；
当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为5％，Cu基体所占的体积分数为8.5％，其余为均匀分布的孔隙时，其在2500℃下按照国标GJB323A-96进行烧蚀率检测，烧蚀10s时，试样的质量烧蚀速度为8.64μg/s，线烧蚀速度为8.3μm/s；烧蚀20s时，试样的质量烧蚀速度为12.65μg/s，线烧蚀速度为11.6μm/s。
9.根据权利要求5所述的一种C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于：当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为11.8％，SiC基体所占的体积分数为28％，Cu基体所占的体积分数为8.5％，其热导率为4.89W/M/K，冲击强度为4.4J·CM-2，压缩强度为145.8MPa，抗弯强度为166.5MPa；
当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为20％，Cu基体所占的体积分数为8.5％，其余为均匀分布的孔隙时，其热导率为7.156W/M/K，冲击强度为4.133J·CM-2，压缩强度为164.8MPa，抗弯强度为199.4MPa；
当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为13％，Cu基体所占的体积分数为7.4％，其余为均匀分布的孔隙时，其热导率为6.8W/M/K，冲击强度为3.7J·CM-2，压缩强度为147.5MPa，抗弯强度为131.4MPa；
当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为9％，Cu基体所占的体积分数为7.8％，其余为均匀分布的孔隙时，其热导率为5.23W/M/K，冲击强度为3.9J·CM-2，压缩强度为122.1MPa，抗弯强度为124.1MPa；
当C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料中，所述的C纤维占的体积分数为26％，C基体所占的体积分数为27.1％，SiC基体所占的体积分数为5％，Cu基体所占的体积分数为8.5％，其余为均匀分布的孔隙时，其热导率为4.325W/M/K，冲击强度为4.2J·CM-2，压缩强度为105MPa，抗弯强度为97.4MPa。
10.一种如权利要求1-4任意一项所述的一种C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料的应用，其特征在于：所述C/C-SiC-Cu陶瓷基复合材料用于热防护部件。
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