一种在C/SiC复合材料中原位生长β-SiC纳米纤维的方法

文档序号:1988936阅读:356来源:国知局
专利名称:一种在C/SiC复合材料中原位生长β-SiC纳米纤维的方法
技术领域
本发明涉及碳纤维增强陶瓷基复合材料领域,具体涉及一种在C/SiC复合材料中原位生长β-SiC纳米纤维的方法。
背景技术
碳纤维增强碳化硅(C/SiC)复合材料具有耐高温、低密度、高性能和抗氧化等显著优点,是一种新型的高温结构防热一体化材料,可被广泛的用于航天、航空、高速列车、先进导弹武器、核聚变能源等高科技领域,显示出潜在的、巨大应用前景。碳纤维具有极高的比强度和比模量,优良的导电和导热性、耐腐蚀性以及在还 原性气氛中良好的耐高温性能,被广泛用作复合材料的增强(增韧)相。但是,传统的C/C或C/SiC复合材料中,毡体中炭纤维无论采用3D或4D编织,其强度、韧性、导电、导热等力学或物理性能,都存在很大的各向异性。SiC纳米纤维的强度远远高于其本体的强度,碳化硅纳米纤维具有优越的力学、热学及电学性能和高的物理化学稳定性等特性,同样可以作为塑料、金属、陶瓷等复合材料的增强相。在复合材料制备过程中加入SiC纳米纤维来以提高复合材料的强度和韧性。加入SiC纳米纤维前后,复合材料的最大断裂韧性由9. 5 ± I. 5MPa · ml/2 增加至 20. 3 ±2. OMPa · ml/2 增加 114%。WongE W 等已经通过原子力显微镜证实了碳化硅纳米棒具有很高的杨氏模量;Yang等采用化学气相渗透(CVI)法制备SiC纤维原位增强的陶瓷复合材料,取得了很好的增强效果。然而,利用先驱体浸溃裂解法制备复合材料的过程中原位生成SiC纳米纤维还未见报道。

发明内容
本发明的目的在于提供一种在C/SiC复合材料中原位生长β -SiC纳米纤维的方法,其工艺简单、耗时短,可以在前驱体裂解的过程中得到β-SiC纳米纤维,充分发挥其力学和物理性能,改善材料的各向异性,提高复合材料的使用性能。实现本发明目的的技术方案一种在C/SiC复合材料中原位生长β -SiC纳米纤维的方法,其包括如下步骤(I)将碳纤维织物在管式炉中脱胶除去表面环氧树脂胶;加热温度在35(T450°C,保温25 40min,氮气保护;将聚碳硅烷充分溶解于溶剂中,配成质量百分比浓度在3(Γ40%聚碳硅烷溶液;所述的溶剂采用二甲苯、甲苯或四氢呋喃;(2)采用真空浸溃的方法将聚碳硅烷溶液浸溃碳纤维织物,真空度小于O. IMPa,浸溃时间2(T40min ;将浸溃碳纤维织物取出,在空气中凉干,在管式炉中23(T250°C固化广3小时;(3)将步骤(2)固化后的浸溃碳纤维织物在110(Γ1400 下高温裂解f 2小时,得到陶瓷基复合材料。如上所述的一种在C/SiC复合材料中原位生长β -SiC纳米纤维的方法,其步骤(3)所述的升温速率为5 15°C /min。如上所述的一种在C/SiC复合材料中原位生长β-SiC纳米纤维的方法,其所述的碳纤维种类为Τ300或Τ700或Τ800,编织方式为碳毡或多向编织方式。本发明的效果在于采用本发明方法可以在复合材料成型过程中原位生长得到SiC纳米纤维,利用碳纤维的良好力学和导电导热性能的同时,充分发挥原位生长纳米碳化硅纤维的力学和物理特性,并以此作为传统C/SiC复合材料的增强体,改善复合材料的各向异性,提高使用性倉泛。本发明直接在制备复合材料的过程中原位生成SiC纳米纤维,其主要构型为β -SiC纳米纤维,晶体结构为立方结构,形状呈竹节状,芦苇状。β — SiC纳米纤维在耐温性方面比α — SiC纳米纤维要高的多,此方法工艺简单,易于控制,操作方便。 本发明所述的在C/SiC复合材料中原位生长β-SiC纳米纤维的方法,其优点
(I)β-SiC纳米纤维在孔洞处生长,可防止基体开裂,可以提高复合材料的强度和断裂韧性;(2)纳米纤维的存在,对于后续的浸溃起到浸润的作用,有利于孔洞和微裂纹的减小,在一定程度上实现了前驱体浸溃剂的均匀分布,减少缺陷,提高复合材料的使用性能;(3 )本方法是通过在复合材料复合过程中直接生成β — SiC纳米纤维,工艺简单,易于控制,操作方便。


图I为本发明制备的SiC基体的X射线衍射图谱。图2为本发明制备的β - SiC纳米纤维的扫描电镜照片。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种在C/SiC复合材料中原位生长β -SiC纳米纤维的方法作进一步描述。实施例I本发明所述的一种在C/SiC复合材料中原位生长β-SiC纳米纤维的方法,其包括如下步骤(I)将3Κ-Τ300碳纤维编织成正交三向碳纤维织物(5*5*5mm),将碳纤维织物放入管式炉中加热至400° C (氮气保护)保温30min除去表面环氧树脂胶。将聚碳硅烷(PCS)充分溶解于二甲苯溶剂中,配成质量百分比浓度为30%聚碳硅烷溶液。(2)将碳纤维织物放入真空浸溃罐中,倒入200ml聚碳硅烷溶液(至少没过碳纤维织物),然后抽真空,让聚碳硅烷溶液充分浸入碳纤维织物中,真空度小于O. IMpa,浸溃时间30min ;取出浸溃碳纤维织物在空气中凉干,在管式炉中240° C固化2小时。(3)将步骤(2)固化后的浸溃碳纤维织物,在真空炉充入Ar气,炉中以10° C/min的升温速率加热至1100° C恒温lh,然后随炉冷却至室温。对得到的陶瓷基复合材料基体进行X射线衍射分析,主要得到β相SiC,如图I所示。含基体的织物对其进行喷金3min,进行扫描电镜观察,形貌如图2所示,可见SiC纳米纤维,多数纤维约长几十个微米,直径约为几十纳米。实施例2本发明所述的一种在C/SiC复合材料中原位生长β-SiC纳米纤维的方法,其包括如下步骤(I)将6Κ-Τ700碳纤维编织成碳毡,然后将该碳纤维织物放入管式炉中加热至350° C (氮气保护)保温40min除去表面环氧树脂胶。将聚碳硅烷(PCS)充分溶解于甲苯溶剂中,配成质量百分比浓度为35%聚碳硅烷溶液。(2)将碳纤维织物放入真空浸溃罐中,倒入200ml聚碳硅烷溶液(至少没过碳纤维 织物),然后抽真空,让聚碳硅烷溶液充分浸入碳纤维织物中,真空度小于O. IMpa,浸溃时间20min ;取出浸溃碳纤维织物在空气中凉干,在管式炉中230°C固化3小时。(3)将步骤(2)固化后的浸溃碳纤维织物,在真空炉充入Ar气,炉中以5° C/min的升温速率加热至1200°C恒温2h,然后随炉冷却至室温,得到陶瓷基复合材料。实施例3本发明所述的一种在C/SiC复合材料中原位生长β-SiC纳米纤维的方法,其包括如下步骤(I)将3Κ-Τ800碳纤维编织成二维碳纤维织物,然后将该碳纤维织物放入管式炉中加热至450° C (氮气保护)保温25min除去表面环氧树脂胶。将聚碳硅烷(PCS)充分溶解于四氢呋喃溶剂中,配成质量百分比浓度为40%聚碳硅烷溶液。(2)采用真空浸溃的方法将聚碳硅烷溶液浸溃碳纤维织物,真空度小于O. IMpa,浸溃时间40min ;将浸溃碳纤维织物取出,在空气中凉干,在管式炉中250°C固化I小时;(3)将步骤(2)固化后的浸溃碳纤维织物,在真空炉充入Ar气,炉中以15°C /min的升温速率加热至1400°C恒温lh,然后随炉冷却至室温,得到陶瓷基复合材料。实施例4本发明所述的一种在C/SiC复合材料中原位生长β-SiC纳米纤维的方法,其包括如下步骤(I)将6Κ-Τ300碳纤维编织成正交三向碳纤维织物(5*5*5mm),将碳纤维织物放入管式炉中加热至400° C (氮气保护)保温30min除去表面环氧树脂胶。将聚碳硅烷(PCS)充分溶解于二甲苯溶剂中,配成质量百分比浓度为30%聚碳硅烷溶液。(2)将碳纤维织物放入真空浸溃罐中,倒入200ml聚碳硅烷溶液(至少没过碳纤维织物),然后抽真空,让聚碳硅烷溶液充分浸入碳纤维织物中,真空度小于O. IMpa,浸溃时间35min ;取出浸溃碳纤维织物在空气中凉干,在管式炉中240° C固化2小时。(3)将步骤(2)固化后的浸溃碳纤维织物,在真空炉充入Ar气,炉中以10° C/min的升温速率加热至1200° C恒温I. 5h,然后随炉冷却至室温。
权利要求
1.一种在C/SiC复合材料中原位生长3-SiC纳米纤维的方法,其特征在于该方法包括如下步骤 (1)将碳纤维织物在管式炉中脱胶除去表面环氧树脂胶;加热温度在35(T450°C,保温25 40min,氮气保护; 将聚碳硅烷充分溶解于溶剂中,配成质量百分比浓度在3(T40%聚碳硅烷溶液;所述的溶剂采用二甲苯、甲苯或四氢呋喃; (2)采用真空浸溃的方法将聚碳硅烷溶液浸溃碳纤维织物,真空度小于0.IMpa,浸溃时间2(T40min ;将浸溃碳纤维织物取出,在空气中凉干,在管式炉中23(T250°C固化广3小时; (3)将步骤(2)固化后的浸溃碳纤维织物在110(Tl40(rC下高温裂解f2小时,得到陶瓷基复合材料。
2.根据权利要求I所述的一种在C/SiC复合材料中原位生长P-SiC纳米纤维的方法,其特征在于步骤(3)所述的升温速率为5 15°C /min。
3.根据权利要求I或2所述的一种在C/SiC复合材料中原位生长0-SiC纳米纤维的方法,其特征在于所述的碳纤维种类为T300或1700或T800,编织方式为碳毡或多向编织方式。
全文摘要
本发明提供一种在C/SiC复合材料中原位生长β-SiC纳米纤维的方法,其步骤(1)将碳纤维织物在管式炉中脱胶除去表面环氧树脂胶;加热温度在350~450℃,保温25~40min,氮气保护;将聚碳硅烷充分溶解于溶剂中,配成质量百分比浓度在30~40%聚碳硅烷溶液;(2)采用真空浸溃的方法将聚碳硅烷溶液浸渍碳纤维织物;将浸渍碳纤维织物取出,在空气中凉干,在管式炉中230~250℃固化1~3小时;(3)将步骤(2)固化后的浸渍碳纤维织物在1100~1400℃下高温裂解1~2小时,得到陶瓷基复合材料。本发明直接在制备复合材料的过程中原位生成SiC纳米纤维,SiC纳米纤维生长在孔洞处,在一定程度上实现了后续循环中前驱体浸渍剂的均匀分布,减少材料缺陷,提高复合材料的使用性能;本方法工艺简单,易于控制,操作方便。
文档编号C04B35/80GK102951919SQ20121044759
公开日2013年3月6日 申请日期2012年11月9日 优先权日2012年11月9日
发明者孙银洁, 李秀涛, 周延春 申请人:航天材料及工艺研究所, 中国运载火箭技术研究院
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