一种含钽炭基复合材料前驱体的制备方法 【技术领域】
本发明属于含钽炭基复合材料前驱体的制备方法，具体涉及以沥青为原料掺杂过渡金属无机盐制备炭材料前驱体的方法。
背景技术
炭材料具有良好的导电性，优异的高温强度，极好的抗热震和化学稳定性等显著特点，被广泛用于航天、航空等高科技领域。但在高温氧化气氛中会发生氧化和烧蚀。宇航技术的飞速发展要求材料在极限环境(超高温、超真空、强冲刷、强辐射等)下既具有机械强度高、抗热震性能好，又具有耐烧蚀和抗氧化等优良性能。
碳化钽具有高熔点(3880℃)、高硬度和高化学稳定性、耐蚀和耐热冲击性，优异的导电性(42.1μΩ.cm，25℃)，高的抗氧化性，在高温下具有良好的机械性能，大大超过最好的多晶石墨，是一种具有很大应用前景的抗烧蚀材料。把碳化钽引入炭材料中，既可提高材料的高温高强抗烧蚀性能又具有良好的抗热震、抗氧化性能。此材料是一种先进的高温结构功能材料，可用来制造火箭发动机的各种超高温工作零件，满足极限环境对材料的使用要求，对发展新一代航天航空应用材料具有重大意义。
美国在1976年76-609号的AIAA“固体推进火箭发动机用炭/炭材料”报告中指出，在炭材料中引入钽、铪、锆等元素形成难熔碳化物，可以提高材料的耐烧蚀和抗氧化性能。在1980年80-1476号的AIAA论文中报道了TaC/C材料的耐烧蚀性能。目前采用地制备方法主要有化学气相沉积(CVD或CVI)、化学气相反应(CVR)等，在炭材料表面沉积碳化钽层。但上述制备手段存在以下缺点：制造周期长、价格昂贵，制备材料尺寸受到很大限制，而且碳化钽层与炭材料界面结合力较弱，瞬间高温下抗热震性能不好，导致样品易开裂，应用受到很大限制。因此提高材料抗热震性能，降低制造成本成为制备含钽炭材料的关键。采用粉末掺杂可以降低成本，均匀混合可以消除界面的影响，提高抗热震性能，是一种有效的改性手段，但对于含钽炭基材料来说，由于钽化合物的密度(Ta2O5：8.7g/cm3；TaC：14.4g/cm3)与炭基体(＜2.0g/cm3)的密度差别较大，采用传统的机械物理混合的方法难以混合均匀，造成制品容易开裂，。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种制造成本低，工艺简单的一种含钽炭基复合材料前驱体的制备方法
本发明采用化学液相混合的方法，通过沥青与钽化合物在一定条件下进行化学反应，使钽元素与沥青分子形成一定程度的化学和物理结合，制得含钽均匀分布的沥青前驱体原料。此方法制备，可大幅度降低。所制备的沥青可作为向炭材料引入掺杂组元钽的载体，可望制备出钽分布均匀，利用率高且性能可控的高性能炭基复合材料。
本发明制备含钽沥青前驱体原料的过程如下：将软化点60℃～80℃的煤焦油沥青、石油沥青在惰性气氛、无水环境中，与氯化钽按质量比为煤焦油沥青或石油沥青∶氯化钽＝100∶1～20混合，于260℃～420℃，在自升压或0.3～1.0Mpa压力下，匀速机械搅拌反应4～10小时，即可制得含钽沥青前驱体原料。
如上所述的氯化钽可以是三氯化钽、四氯化钽或五氯化钽，最好是五氯化钽。
如上所述的反应温度最好是280℃～400℃
本发明制备的含钽沥青前驱体的软化点为85℃～170℃(环球法GB2294-80)；炭化残留物(产碳率GB8729-89)重量百分比为48％～90％，钽在沥青中的重量百分比为1～10％。
本发明的优点：
1、本发明制备的含钽沥青采用的工艺简单，成本低，易操作。
2、本发明制备的含钽沥青在常温下性质稳定，可长久放置。
3、本发明制备的含钽沥青中钽元素分布均匀，颗粒度较小。
4、本发明制备的含钽沥青既可用作浸渍剂、也可用作粘接剂。
5、本发明制备含钽沥青经过后处理可直接作为制备炭材料的具有自烧结性能的原料。
具体实施方式：
实施例1
取软化点60℃煤沥青400克，五氯化钽8克，在350℃自升压反应4小时，得到含钽沥青。该沥青软化点是85℃，含钽1.67Wt％，产碳率为48.0Wt％。
实施例2
取软化点64℃煤沥青400克，四氯化钽16克，在370℃自升压反应6小时，得到含钽沥青。该沥青软化点是104℃，含钽3.37Wt％，产碳率为52.8Wt％。
实施例3
取软化点68℃煤沥青400克，三氯化钽48克，在260℃、0.3Mpa压力下反应6小时，得到含钽沥青。该沥青软化点是136℃，含钽8.82Wt％，产碳率为64.7％。
实施例4
取软化点72℃煤沥青400克，五氯化钽32克，在300℃、1.0Mpa压力下反应10小时，得到含钽沥青。该沥青的软化点是132℃，含钽5.53wt％，产碳率为57.3Wt％。
实施例5
取软件点76℃煤沥青400克，五氯化钽64克，在400℃、0.5Mpa压力下反8小时，得到含钽沥青，软化点是170℃，含钽10.0Wt％，产碳率为90.0Wt％。
实施例6
取软化点80℃的煤沥青400克，四氯化钽16克，在420℃自升压反应4时，得到含钽沥青。该沥青的软化点是111℃，含钽3.41Wt％，产碳率为54.6Wt％。
实施例7
取软件点72℃石油沥青400克，五氯化钽16克，在350℃自升压反应4小时，得到含钽沥青。该沥青软化点95℃，含钽3.14wt％，产碳率为51.1Wt％。
实施例8
取软件点80℃石油沥青400克，五氯化钽8克，在420℃、0.5Mpa压力下反应6小时，得到含钽沥青，软化点是99℃，含钽2.23wt％，产碳率为50.3Wt％。
实施例9
取软件点65℃石油沥青400克，三氯化钽32克，在300℃、1.0Mpa压力下反应10小时，得到含钽沥青，软化点110℃，含钽5.23wt％，产碳率为56.5Wt％。