本發(fā)明屬于超高溫陶瓷纖維，具體涉及一種碳纖維原位轉(zhuǎn)化皮芯結(jié)構(gòu)超高溫碳化物陶瓷纖維及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、連續(xù)纖維增強超高溫陶瓷基復(fù)合材料具有抗氧化、耐高溫、高溫力學(xué)性能優(yōu)異等特點，被廣泛應(yīng)用于各類火箭發(fā)動機、高速飛行器等重要的熱端部件。作為耐超高溫陶瓷基復(fù)合材料的增強體，其具備耐超高溫、直徑小、高強度、高模量以及高抗燒蝕性等特點。

2、超高溫陶瓷纖維以其卓越的高溫性能備受關(guān)注，主要表現(xiàn)為在極端高溫條件下不發(fā)生分解和熔化的特點。然而，這一特點同樣導(dǎo)致其制備過程對條件要求較為苛刻。國內(nèi)外學(xué)者對超高溫陶瓷纖維的制備方法進行了深入研究和探索，包括先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法和溶膠-凝膠法，雖然取得了一定的研究進展，但國際上還沒有真正商品化的超高溫陶瓷纖維，僅美國展示了連續(xù)tac和hfc超高溫陶瓷纖維。但是以上報道中的纖維幾乎沒有見到其能夠應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，可以推測其制備難度較大、工藝穩(wěn)定性難以保證等因素制約了其發(fā)展。

3、皮芯結(jié)構(gòu)超高溫陶瓷纖維的芯部為碳相，外層為陶瓷相，利用碳相發(fā)揮連續(xù)性和高強度作用，陶瓷相發(fā)揮抗氧化作用。采用合適的制備方法與工藝參數(shù)可以控制皮層陶瓷相狀態(tài)，促使轉(zhuǎn)化反應(yīng)持續(xù)進行將碳纖維轉(zhuǎn)化成皮芯結(jié)構(gòu)超高溫陶瓷纖維。

4、因此，國內(nèi)外研究者關(guān)注的研究熱點從探索穩(wěn)定的超高溫陶瓷先驅(qū)體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎煤线m的制備方法得到皮芯比例可調(diào)節(jié)的皮芯結(jié)構(gòu)超高溫碳化物陶瓷纖維。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中超高溫陶瓷纖維制備困難的問題，本發(fā)明提供了一種碳纖維原位轉(zhuǎn)化皮芯結(jié)構(gòu)超高溫碳化物陶瓷纖維及其制備方法，以解決超高溫陶瓷纖維制備難度較大、工藝穩(wěn)定性難以保證的技術(shù)問題。本發(fā)明制備的碳纖維原位轉(zhuǎn)化皮芯結(jié)構(gòu)超高溫碳化物陶瓷纖維，具有組織結(jié)構(gòu)均勻、可調(diào)節(jié)性高等特點；所述的一種碳纖維原位轉(zhuǎn)化皮芯結(jié)構(gòu)超高溫碳化物陶瓷纖維的制備方法，具有工藝穩(wěn)定可控、周期短、成本低、可設(shè)計性強等優(yōu)勢。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、將碳纖維置于石墨坩堝底部，加入nacl和kcl混合鹽作為熔鹽介質(zhì)，加入超高溫金屬粉末及相應(yīng)的過渡金屬氟酸鹽，使得碳纖維與金屬源在高溫液態(tài)熔融鹽中發(fā)生熔鹽歧化反應(yīng)生成超高溫陶瓷層，該陶瓷層晶粒細小均勻，促使熔鹽歧化反應(yīng)能夠不斷向碳纖維內(nèi)部滲透，最終通過控制反應(yīng)參數(shù)獲得不同皮芯比例的超高溫陶瓷纖維；

4、得到的碳纖維原位轉(zhuǎn)化皮芯結(jié)構(gòu)超高溫碳化物陶瓷纖維具有皮芯結(jié)構(gòu)，包含反應(yīng)獲得的超高溫陶瓷相的表皮層，以及反應(yīng)剩余的碳纖維芯層；

5、所述的超高溫陶瓷相為碳化鉭(tac)、碳化鉿(hfc)、碳化鋯(zrc)、碳化鈦(tic)中的一種。

6、本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

7、一種碳纖維原位轉(zhuǎn)化皮芯結(jié)構(gòu)超高溫碳化物陶瓷纖維，所述的皮芯結(jié)構(gòu)由表皮層和芯層組成，所述的表皮層為超高溫碳化物陶瓷相，所述的芯層為碳纖維；所述的碳纖維，選自聚丙烯腈基纖維、瀝青基纖維、一維纖維單絲、二維編織結(jié)構(gòu)中的一種；

8、所述的表皮層的厚度與纖維直徑比例范圍為5-90％；

9、所述的表皮層的晶粒尺寸為40-300nm，所述的超高溫陶瓷相為碳化鉭(tac)、碳化鉿(hfc)、碳化鋯(zrc)、碳化鈦(tic)中的一種；

10、得到的碳纖維原位轉(zhuǎn)化皮芯結(jié)構(gòu)超高溫碳化物陶瓷纖維，皮芯比例不同的纖維，高溫和力學(xué)性能具有可調(diào)節(jié)性，所制備的碳纖維原位轉(zhuǎn)化皮芯結(jié)構(gòu)超高溫碳化物陶瓷纖維拉伸強度為1.49gpa-2.90gpa。

11、本發(fā)明中：

12、優(yōu)選的，所述的表皮層的厚度與纖維直徑比例范圍為10-70％，該范圍的皮芯結(jié)構(gòu)超高溫碳化物陶瓷纖維既能使碳纖維發(fā)揮連續(xù)性好和易編制的特點，又能保證有足夠的超高溫陶瓷相發(fā)揮抗氧化與耐高溫作用，使得皮芯結(jié)構(gòu)超高溫碳化物陶瓷纖維同時具有抗氧化、耐高溫、連續(xù)性好、高強韌等綜合性能。

13、本發(fā)明還涉及上述一種碳纖維原位轉(zhuǎn)化皮芯結(jié)構(gòu)超高溫碳化物陶瓷纖維的制備方法，包括以下步驟：

14、1)將碳纖維置于石墨坩堝底部，加入混合鹽作為熔鹽介質(zhì)；

15、所述的混合鹽為nacl和kcl，其中nacl和kcl的摩爾比為1:(0.8-1.2)；

16、2)加入超高溫金屬粉末和過渡金屬氟酸鹽，使得碳纖維與金屬源在高溫液態(tài)熔融鹽中發(fā)生熔鹽歧化反應(yīng)生成超高溫陶瓷層，所述的過渡金屬為ti、zr、hf和ta中的一種；所述的過渡金屬氟酸鹽為k2tif6、k2zrf6、k2hff6和k2taf7中的一種；所述碳纖維、過渡金屬粉體、過渡金屬氟酸鹽和熔鹽介質(zhì)的摩爾比為1:(0.09-0.3):(0.03-0.1):(5-10)；熔鹽歧化反應(yīng)的溫度為800-1200℃，以5-15℃/min升溫，保溫時間為1-10h，氣氛為氬氣保護；最終獲得由碳纖維原位轉(zhuǎn)化來的皮芯結(jié)構(gòu)超高溫碳化物陶瓷纖維，所制備的碳纖維原位轉(zhuǎn)化皮芯結(jié)構(gòu)超高溫碳化物陶瓷纖維拉伸強度為1.49gpa-2.90gpa。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

18、1、本發(fā)明所述的一種碳纖維原位轉(zhuǎn)化皮芯結(jié)構(gòu)超高溫碳化物陶瓷纖維，該纖維具有皮芯結(jié)構(gòu)，包含反應(yīng)獲得的超高溫陶瓷相的表皮層，以及反應(yīng)剩余的碳纖維芯層；所述的超高溫陶瓷相主要為碳化鉭(tac)、碳化鉿(hfc)、碳化鋯(zrc)、碳化鈦(tic)中的一種。相較于傳統(tǒng)的先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法和溶膠凝膠法制備的超高溫陶瓷纖維，本發(fā)明皮芯結(jié)構(gòu)超高溫陶瓷纖維具有結(jié)果一致性好，皮芯比例可調(diào)節(jié)的特點。

19、2、本發(fā)明所述的一種碳纖維原位轉(zhuǎn)化皮芯結(jié)構(gòu)超高溫碳化物陶瓷纖維的制備方法，所述碳纖維可以是聚丙烯腈基纖維中的高強纖維、高模量纖維，也可以是瀝青基纖維；所述的超高溫陶瓷相主要為碳化鉭(tac)、碳化鉿(hfc)、碳化鋯(zrc)、碳化鈦(tic)中的一種。該方法設(shè)備要求簡單、工藝穩(wěn)定、能夠在較低的反應(yīng)溫度下進行；同時生成的超高溫陶瓷相具有晶粒細小的特點，反應(yīng)物能夠持續(xù)向碳芯內(nèi)部深入，促進反應(yīng)的持續(xù)發(fā)生。

技術(shù)特征：

1.一種碳纖維原位轉(zhuǎn)化皮芯結(jié)構(gòu)超高溫碳化物陶瓷纖維，其特征在于：所述的皮芯結(jié)構(gòu)由表皮層和芯層組成，所述的表皮層為超高溫碳化物陶瓷相，所述的芯層為碳纖維；所述的碳纖維，選自聚丙烯腈基纖維、瀝青基纖維、一維纖維單絲、二維編織結(jié)構(gòu)中的一種；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維原位轉(zhuǎn)化皮芯結(jié)構(gòu)超高溫碳化物陶瓷纖維，其特征在于：所述的表皮層的厚度與纖維直徑比例范圍為10-70％。

3.權(quán)利要求1或2所述的一種碳纖維原位轉(zhuǎn)化皮芯結(jié)構(gòu)超高溫碳化物陶瓷纖維的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明揭示了一種碳纖維原位轉(zhuǎn)化皮芯結(jié)構(gòu)超高溫碳化物陶瓷纖維及其制備方法。該纖維由表皮層和碳纖維芯層組成，表皮層是碳化鉭、碳化鉿、碳化鋯或碳化鈦中的一種超高溫陶瓷相，通過在高溫液態(tài)熔鹽中進行熔鹽歧化反應(yīng)形成。制備過程包括將碳纖維置于石墨坩堝底部，加入NaCl和KCl混合鹽作為熔鹽介質(zhì)，加入超高溫金屬粉末及相應(yīng)的過渡金屬氟酸鹽，以促進反應(yīng)在整個碳纖維內(nèi)部滲透，最終實現(xiàn)不同皮芯比例的超高溫陶瓷纖維的控制生長。

技術(shù)研發(fā)人員：王松,張子駿,李偉,余藝平
受保護的技術(shù)使用者：中國人民解放軍國防科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9