本发明涉及一种复合材料，具体涉及一种轻质碳纤维复合材料及其制备工艺，属于新材料技术领域。
背景技术：
碳纤维力学性能优异，是将热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理以及石墨化等工艺制成的。碳纤维主要由碳元素组成，其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上。碳纤维具有耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但其与一般的碳素材料有所不同，其外形有显著的各向异性、柔软，并可以加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出较高的强度。
碳纤维一般不单独使用，而是作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷或者混凝土等材料中，构成复合材料，所制备的复合材料可以广泛利用于飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、工业机器人、驱动轴等诸多领域。
但是现有的碳纤维复合材料轻质性能仍有很大的提升空间，其力学性能和抗热冲击性能也不能满足高精尖领域的高标准要求，限制了其应用领域。
技术实现要素：
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种轻质碳纤维复合材料。
本发明还提供了该种轻质碳纤维复合材料的制备工艺。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种轻质碳纤维复合材料，是以碳纤维和石英纤维预制体为骨架，骨架的空隙间填充氧化铝、氮化硅和碳化硼；以质量百分比计，各组分含量为：碳纤维20～35％，石英纤维10～25％，氧化铝10～25％，氮化硅10～15％，碳化硼10～15％。
优选的，碳纤维表面还包括1.5～2μm的基体碳。
优选的，所述碳纤维和石英纤维预制体为准三维或三维，包括针刺或细编穿刺。
优选的，所述碳纤维为T300或T700宇航级。
优选的，所述氧化铝、氮化硅和碳化硼的平均粒径均为0.5～2μm。
上述的一种轻质碳纤维复合材料的制备工艺，包括步骤：
(1)将碳纤维和石英纤维经混合针刺或细编穿刺，得到预制体；
(2)将氧化铝、氮化硅和碳化硼倒入5～10倍重量的无水乙醇中，超声分散1～2小时，球磨处理5～6小时，除去无水乙醇，烘干，即得混合陶瓷粉体；
(3)将步骤(1)的预制体与步骤(2)的混合陶瓷粉体混合均匀，并在真空炉中高温烧结，即得轻质碳纤维复合材料；其中，烧结温度为1600～2200℃，烧结时间为2～3小时。
优选的，步骤(1)还包括沉碳处理步骤，是将预制体在950～1000℃条件下保温20～45分钟，如此处理2～3次，即得表面覆盖基体碳的预制体。
优选的，步骤(2)中的球磨转速为500～600转/分钟。
优选的，步骤(3)中混合方法为在研磨机中以300～500转/分钟的搅拌速度进行共混。
本发明的有益效果：
本发明的复合材料是以碳纤维和石英纤维预制体为骨架，并在骨架的空隙间填充氧化铝、氮化硅和碳化硼而得，通过碳纤维和石英纤维预制体构建的骨架大大减轻了所得渡河材料的重量，结合骨架空隙填充的氧化铝、氮化硅和碳化硼，改善产品的力学性能和抗热冲击性能。
经测试，本发明的轻质碳纤维复合材料密度在1.5g/cm3以下，拉伸强度180MPa以上，弯曲强度和压缩强度在220MPa以上，在2100℃有氧环境下质量损失仅为10-5g/cm2s量级，具有轻质、力学性能好和抗热冲击性能佳等优点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
实施例1：
一种轻质碳纤维复合材料，是以碳纤维(T300宇航级，其表面包括1.5μm的基体碳)和石英纤维预制体为骨架，骨架的空隙间填充氧化铝(粒径0.5μm)、氮化硅(粒径0.5μm)和碳化硼(粒径0.5μm)；以质量百分比计，各组分含量为：碳纤维20％，石英纤维25％，氧化铝25％，氮化硅15％，碳化硼15％。
其中，碳纤维和石英纤维预制体为准三维，细编穿刺而得。
上述的一种轻质碳纤维复合材料的制备工艺，包括步骤：
(1)将碳纤维和石英纤维经混合针刺或细编穿刺，得到预制体；然后将预制体在950℃条件下保温20分钟，如此沉碳处理2次，即得表面覆盖基体碳的预制体；
(2)将氧化铝、氮化硅和碳化硼倒入5倍重量的无水乙醇中，超声分散1小时，500转/分钟球磨处理5小时，除去无水乙醇，烘干，即得混合陶瓷粉体；
(3)将步骤(1)的预制体与步骤(2)的混合陶瓷粉体混合均匀，并在真空炉中高温烧结，即得轻质碳纤维复合材料；其中，混合方法为在研磨机中以300转/分钟的搅拌速度进行共混，烧结温度为1600℃，烧结时间为2小时。
实施例2：
一种轻质碳纤维复合材料，是以碳纤维(T700宇航级，其表面包括2μm的基体碳)和石英纤维预制体为骨架，骨架的空隙间填充氧化铝(粒径2μm)、氮化硅(粒径2μm)和碳化硼(粒径2μm)；以质量百分比计，各组分含量为：碳纤维35％，石英纤维10％，氧化铝25％，氮化硅15％，碳化硼15％。
其中，碳纤维和石英纤维预制体为三维，细编穿刺而得。
上述的一种轻质碳纤维复合材料的制备工艺，包括步骤：
(1)将碳纤维和石英纤维经混合针刺或细编穿刺，得到预制体；然后将预制体在1000℃条件下保温45分钟，如此沉碳处理3次，即得表面覆盖基体碳的预制体；
(2)将氧化铝、氮化硅和碳化硼倒入10倍重量的无水乙醇中，超声分散2小时，600转/分钟球磨处理6小时，除去无水乙醇，烘干，即得混合陶瓷粉体；
(3)将步骤(1)的预制体与步骤(2)的混合陶瓷粉体混合均匀，并在真空炉中高温烧结，即得轻质碳纤维复合材料；其中，混合方法为在研磨机中以500转/分钟的搅拌速度进行共混，烧结温度为2200℃，烧结时间为3小时。
实施例3：
一种轻质碳纤维复合材料，是以碳纤维(T300宇航级，其表面包括2μm的基体碳)和石英纤维预制体为骨架，骨架的空隙间填充氧化铝(粒径0.5μm)、氮化硅(粒径2μm)和碳化硼(粒径0.5μm)；以质量百分比计，各组分含量为：碳纤维35％，石英纤维20％，氧化铝20％，氮化硅15％，碳化硼10％。
其中，碳纤维和石英纤维预制体为准三维，针刺而得。
上述的一种轻质碳纤维复合材料的制备工艺，包括步骤：
(1)将碳纤维和石英纤维经混合针刺或细编穿刺，得到预制体；然后将预制体在1000℃条件下保温20分钟，如此沉碳处理3次，即得表面覆盖基体碳的预制体；
(2)将氧化铝、氮化硅和碳化硼倒入5倍重量的无水乙醇中，超声分散2小时，500转/分钟球磨处理6小时，除去无水乙醇，烘干，即得混合陶瓷粉体；
(3)将步骤(1)的预制体与步骤(2)的混合陶瓷粉体混合均匀，并在真空炉中高温烧结，即得轻质碳纤维复合材料；其中，混合方法为在研磨机中以300转/分钟的搅拌速度进行共混，烧结温度为2200℃，烧结时间为2小时。
实施例4：
一种轻质碳纤维复合材料，是以碳纤维(T700宇航级，其表面包括1.5μm的基体碳)和石英纤维预制体为骨架，骨架的空隙间填充氧化铝(粒径2μm)、氮化硅(粒径0.5μm)和碳化硼(粒径2μm)；以质量百分比计，各组分含量为：碳纤维20％，石英纤维25％，氧化铝25％，氮化硅15％，碳化硼15％。
其中，碳纤维和石英纤维预制体为三维，细编穿刺而得。
上述的一种轻质碳纤维复合材料的制备工艺，包括步骤：
(1)将碳纤维和石英纤维经混合针刺或细编穿刺，得到预制体；然后将预制体在950℃条件下保温45分钟，如此沉碳处理2次，即得表面覆盖基体碳的预制体；
(2)将氧化铝、氮化硅和碳化硼倒入10倍重量的无水乙醇中，超声分散1小时，600转/分钟球磨处理5小时，除去无水乙醇，烘干，即得混合陶瓷粉体；
(3)将步骤(1)的预制体与步骤(2)的混合陶瓷粉体混合均匀，并在真空炉中高温烧结，即得轻质碳纤维复合材料；其中，混合方法为在研磨机中以500转/分钟的搅拌速度进行共混，烧结温度为1600℃，烧结时间为3小时。
实施例5：
一种轻质碳纤维复合材料，是以碳纤维(T300宇航级，其表面包括2μm的基体碳)和石英纤维预制体为骨架，骨架的空隙间填充氧化铝(粒径1μm)、氮化硅(粒径1μm)和碳化硼(粒径2μm)；以质量百分比计，各组分含量为：碳纤维30％，石英纤维25％，氧化铝20％，氮化硅12％，碳化硼13％。
其中，碳纤维和石英纤维预制体为准三维，针刺而得。
上述的一种轻质碳纤维复合材料的制备工艺，包括步骤：
(1)将碳纤维和石英纤维经混合针刺或细编穿刺，得到预制体；然后将预制体在1000℃条件下保温30分钟，如此沉碳处理3次，即得表面覆盖基体碳的预制体；
(2)将氧化铝、氮化硅和碳化硼倒入8倍重量的无水乙醇中，超声分散2小时，550转/分钟球磨处理5小时，除去无水乙醇，烘干，即得混合陶瓷粉体；
(3)将步骤(1)的预制体与步骤(2)的混合陶瓷粉体混合均匀，并在真空炉中高温烧结，即得轻质碳纤维复合材料；其中，混合方法为在研磨机中以400转/分钟的搅拌速度进行共混，烧结温度为2000℃，烧结时间为2小时。
试验例
对实施例1～5的轻质碳纤维复合材料进行性能测试，分别采用排水法测试材料的密度，万能试验机测试材料的拉伸轻度、弯曲强度和压缩强度，并在2100℃有氧环境下测试质量损失率(单位时间内单位面积的质量损失)，结果见表1。
表1.性能测试结果
从表1可以看出，本发明的轻质碳纤维复合材料密度在1.5g/cm3以下，拉伸强度180MPa以上，弯曲强度和压缩强度在220MPa以上，在2100℃有氧环境下质量损失仅为10-5g/cm2s量级，具有轻质、力学性能好和抗热冲击性能佳等优点。
上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。