一種碳納米管改性碳纖維增強(qiáng)SiBCN陶瓷復(fù)合材料的制備方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種SiBCN陶瓷復(fù)合材料的制備方法及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代陶瓷材料由于具有高強(qiáng)度、耐高溫、抗腐蝕、抗氧化、低密度等優(yōu)異性能，在先進(jìn)航空航天器結(jié)構(gòu)部件、高溫發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪機(jī)、原子能反應(yīng)堆壁、高溫傳感器等高技術(shù)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。SiBCN多元體系陶瓷與SiC、Si3N4、BN等二元體系陶瓷及SiCN、SiCO等三元體系陶瓷相比，具有更加優(yōu)異的耐高溫和抗氧化性能，是一種備受青睞的新型陶瓷材料。然而，SiBCN多元體系陶瓷用于制備高超聲速飛行器大面積迎風(fēng)區(qū)、端頭及翼前緣等超高溫部位結(jié)構(gòu)時(shí)，其力學(xué)性能仍不能滿足要求。碳纖維(carbon fiber, CF)是一種含碳量在90%以上的低密度、高強(qiáng)度、高比模量的纖維狀碳材料，具有突出的耐磨性、耐熱性、潤(rùn)滑性、耐酸堿性等性能，是功能復(fù)合材料中一種重要的增強(qiáng)體。
[0003]但是現(xiàn)有的碳纖維與SiBCN陶瓷復(fù)合材料中存在碳纖維與SiBCN陶瓷之間的力學(xué)性能較差，尤其是碳纖維與SiBCN陶瓷之間的界面剪切強(qiáng)度較差，影響復(fù)合材料的韌性，不利于復(fù)合材料的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是要解決現(xiàn)有碳纖維與SiBCN陶瓷復(fù)合材料中存在碳纖維與SiBCN陶瓷之間的力學(xué)性能較差的問題，提供一種碳納米管改性碳纖維增強(qiáng)SiBCN陶瓷復(fù)合材料的制備方法及應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明碳納米管改性碳纖維增強(qiáng)SiBCN陶瓷復(fù)合材料的制備方法，按以下步驟進(jìn)行:
[0006]—、碳纖維表面氧化處理:將碳纖維完全浸沒在丙酮中，在溫度為70?80°C的條件下加熱回流22?26h，在溫度為50?60°C下干燥12?14h，得到干燥后的碳纖維，將干燥的碳纖維完全浸沒在濃硝酸中，在室溫下浸泡5?10h，從濃硝酸中取出后，用去離子水將碳纖維洗滌至中性，在溫度為50?60°C下干燥12?14h，得到氧化處理的碳纖維；
[0007]二、碳纖維表面催化劑的附著:稱取一定質(zhì)量的金屬鹽，配制0.01?0.2mol/L的金屬鹽丙酮溶液，將步驟一得到的氧化處理的碳纖維浸入金屬鹽丙酮溶液中，在室溫條件下浸泡10?15h，將浸泡之后的碳纖維取出，放入50?60°C干燥12?14h ；
[0008]三、碳納米管改性碳纖維增強(qiáng)體的制備:采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)在附著有催化劑的碳纖維表面生長(zhǎng)碳納米管，具體是將附著有催化劑的碳纖維放入爐腔試樣臺(tái)，抽真空至爐腔內(nèi)的壓強(qiáng)為OPa，以20sCCm的流速通入H2，控制爐內(nèi)壓強(qiáng)為200Pa，以20°C /min的速度升溫至600?800°C，開始通入CH4，壓強(qiáng)穩(wěn)定后，打開射頻開關(guān)，維持10?30min，關(guān)閉射頻，依次停止通入014及Η 2，將爐內(nèi)壓強(qiáng)抽真空至OPa，爐內(nèi)溫度降至室溫，制得碳納米管改性碳纖維多尺度增強(qiáng)體；
[0009]四、碳納米管改性碳纖維增強(qiáng)SiBCN陶瓷先驅(qū)體的制備:將步驟三制得的碳納米管改性碳纖維增強(qiáng)體、三氯化硼、三氯硅烷及六甲基二硅氮烷均勻混合，在溫度為50?90°C，氮?dú)鈿夥諚l件下保溫2?4h，然后升高溫度至160?240°C，在溫度為160?240°C，氮?dú)鈿夥諚l件下保溫2?4h，減壓蒸餾去除雜質(zhì)，得到碳納米管改性碳纖維增強(qiáng)SiBCN陶瓷先驅(qū)體；
[0010]五、碳納米管改性碳纖維增強(qiáng)SiBCN陶瓷復(fù)合材料的制備:將步驟四得到的碳納米管改性碳纖維增強(qiáng)SiBCN陶瓷先驅(qū)體放入真空燒結(jié)爐中，在室溫下通入氮?dú)?0?90min，在氮?dú)鈿夥障乱?5°C /min的速度將溫度從25°C升高到900°C，保溫，之后以10°C /min的升溫速度將溫度升高到1400°C，保溫，在氮?dú)鈿夥諚l件下自然降溫至室溫，得到碳納米管改性碳纖維增強(qiáng)SiBCN陶瓷復(fù)合材料。
[0011]上述碳納米管改性碳纖維增強(qiáng)SiBCN陶瓷復(fù)合材料作為一種輕質(zhì)、強(qiáng)韌化、高可靠性熱防護(hù)材料可用于制備高超聲速飛行器的大面積迎風(fēng)區(qū)、端頭及翼前緣等超高溫部位結(jié)構(gòu)。
[0012]由于碳纖維具有突出的耐磨性、耐熱性、潤(rùn)滑性、耐酸堿性等性能，因此碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料也相應(yīng)的具備了高比模量、高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕等性能。而制備復(fù)合材料時(shí)，碳纖維與陶瓷基體的結(jié)合強(qiáng)度決定了復(fù)合材料的界面性能，直接影響了碳纖維與陶瓷復(fù)合材料的整體力學(xué)性能。只有當(dāng)碳纖維與基體材料緊密結(jié)合，基體材料才能有效傳遞外界載荷，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。本發(fā)明通過對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性，提高其比表面積，增加纖維與基體之間的浸潤(rùn)性，提高纖維與基體之間的界面剪切強(qiáng)度，改善界面性能，對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)韌化具有十分重要的意義。
[0013]本發(fā)明的有益效果:
[0014]1、本發(fā)明制備的碳納米管改性碳纖維增強(qiáng)SiBCN陶瓷復(fù)合材料，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的手段，在附著有催化劑的碳纖維表面原位生長(zhǎng)碳納米管，實(shí)現(xiàn)了碳納米管與碳纖維之間的有效連接，顯著增大了碳纖維與陶瓷基體之間的結(jié)合界面，提高了碳纖維增強(qiáng)體與陶瓷基體之間的界面結(jié)合力，保證了陶瓷基體與纖維增強(qiáng)體之間載荷的有效傳遞。本發(fā)明制備的復(fù)合材料的界面剪切強(qiáng)度可達(dá)到61.99?68.0lMPa。
[0015]2、本方法以三氯化硼、三氯硅烷及六甲基二硅氮烷為原料制備了 SiBCN多元體系陶瓷基體，相比于以二元體系及三元體系陶瓷為基體制備的復(fù)合材料，碳納米管改性碳纖維增強(qiáng)SiBCN陶瓷復(fù)合材料具有更加優(yōu)異的耐高溫性能及力學(xué)性能。
【附圖說明】
[0016]圖1為實(shí)施例1碳納米管改性碳纖維的掃描電子顯微鏡照片；
[0017]圖2為實(shí)施例1碳納米管改性碳纖維增強(qiáng)SiBCN陶瓷復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡照片；
[0018]圖3為實(shí)施例1碳納米管改性碳纖維增強(qiáng)SiBCN陶瓷復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果;
[0019]圖4為實(shí)施例2碳納米管改性碳纖維的掃描電子顯微鏡照片；
[0020]圖5為實(shí)施例2碳納米管改性碳纖維增強(qiáng)SiBCN陶瓷復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡照片；
[0021]圖6為實(shí)施例2碳納米管改性碳纖維與SiBCN陶瓷基體界面剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果；
[0022]圖7為實(shí)施例3碳納米管改性碳纖維的掃描電子顯微鏡照片；
[0023]圖8為實(shí)施例3碳納米管改性碳纖維增強(qiáng)SiBCN陶瓷復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡照片；
[0024]圖9為實(shí)施例3碳納米管改性碳纖維與SiBCN陶瓷基體界面剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果；
[0025]圖10為實(shí)施例4碳納米管改性碳纖維的掃描電子顯微鏡照片；
[0026]圖11為實(shí)施例4碳納米管改性碳纖維增強(qiáng)SiBCN陶瓷復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡照片；
[0027]圖12為實(shí)施例4碳納米管改性碳纖維與SiBCN陶瓷基體界面剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0028]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉【具體實(shí)施方式】，還包括各【具體實(shí)施方式】間的任意組合。
[0029]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式碳納米管改性碳纖維增強(qiáng)SiBCN陶瓷復(fù)合材料的制備方法，按以下步驟進(jìn)行:
[0030]一、對(duì)碳纖維表面進(jìn)行氧化處理，得到氧化處理的碳纖維；
[0031]二、碳纖維表面催化劑的附著: