一种耐高温抗氧化导热碳纤维/碳化硅复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种耐高温抗氧化导热碳纤维/碳化硅复合材料的制备方法，具体地说是一种碳纤维和碳化硅复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的快速发展，高效的导热和散热成为热管理领域的关键问题。例如随着电器装置电子元件集成度的不断提高，其单位面积电子器件不断提高的发热量使系统产生的热量骤增。如果没有充分的热管理保障，极易导致相关器件提前老化或是损坏。传统的金属导热材料(如铝、铜等)由于存在密度较大、比热导率(热导系数与材料体积密度之比)较低、热膨胀系数较高、易氧化等局限性，已很难满足目前日益增长的散热需求。碳材料具有较高的导热系数、较低的密度以及较好的耐化学腐蚀性，是近年来最具发展前景的一类导热材料。但是导热碳材料在高温下极易氧化。因此严重限制了导热碳材料在高温有氧环境下的应用。碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(C/SiC)是一种应现代航天航空科技发展而涌现出来的新型复合材料，具有耐高温、低密度、高比强、抗氧化、抗烧蚀和高热辐射率等一系列优异性能，同时具有碳碳复合材料(C/C)所不具有的抗氧化性，因而在航空航天、能源、通讯、电子等领域具有广阔的应用前景。但是碳纤维表面光滑且呈化学惰性，与碳化硅基体界面结合能力弱。界面结合能力弱使得应力不能有效地从基体传递到碳纤维上，碳纤维起不到力学增强的作用。此外，碳纤维和碳化硅基体界面容易产生间隙，阻碍声子的传播，影响复合材料的导热性能。因此目前的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料需要提高碳纤维与碳化硅基体间的界面相互作用，以获得更优异的性能。在碳纤维上生长碳纳米管可以提高碳纤维表面粗糙度，并且碳纳米管可以产生毛细管现象，使先驱体溶液在碳纤维上的浸润性得到提升，减少界面间隙。此外碳纳米管还可以起到机械啮合作用，增强碳纤维与碳化娃基体的界面结合能力。
[0003]本发明通过在碳纤维上生长碳纳米管以增强碳纤维与碳化硅的界面相互作用，从而使碳纤维与碳化硅基体结合更紧密，制备出一种耐高温抗氧化导热碳纤维/碳化硅复合材料。从而为制备耐高温抗氧化导热碳纤维/碳化硅复合材料提供新的思路。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有碳纤维/碳化硅复合材料界面相互作用弱及导热率低的缺陷，提供一种提高碳纤维/碳化硅复合材料界面相互作用及导热率的方法。在碳纤维上生长碳纳米管可以提高碳纤维表面粗糙度。并且生长在碳纤维上的碳纳米管可以产生毛细管现象，使先驱体溶液在碳纤维浸上的润性得到提升，减少界面间隙，有利于增强复合材料的导热性能。此外碳纳米管还可以起到机械啮合作用，增强碳纤维与碳化硅基体的界面结合能力。相比碳纤维三维编织体，二维的碳纤维织布叠层有利于碳纳米管的生长以及先驱体溶液的浸润，还具有更高的抗压强度。
[0005]本发明的制备方法具体步骤如图1所示:
[0006]—种制备耐高温抗氧化导热碳纤维/碳化硅复合材料的制备方法;步骤如下:
[0007]I)将碳纤维织布浸泡在Fe(N03)3溶液中，浸泡0.5_2h后取出烘干；
[0008]2)将负载催化剂的碳纤维织布置于管式炉中；通入流量为200-400sCCm的Ar，升温至400-500°C;减小Ar流量至100-200sccm同时通入流量为200-300sccm的H2;10-30min后增大Ar流量至350-400sccm，减小H2流量为20-50sccm;升温至750-850°C ;通入碳源，注射速度为20ml/h，生长时间为10-60min;生长结束后关闭H2减小Ar流量至200-300sccm;降温后取出碳纤维织布；
[0009]3)将4-8层碳纤维织布叠加在一起浸泡在0.1-0.3g/ml的聚碳硅烷(PCS)的二甲苯溶液中；在负压状态浸泡0.5-2h后将碳纤维织布叠层取出，烘干后形成块体；
[0010]4)将块体置于马弗炉中，在200°C下氧化l_2h;
[0011]5)将块体放入管式炉中，通入流量为500-800sccm的Ar，以5-15°C/min的速率升温至1200°C，恒温10-60min后降温；
[0012]6)反复进行步骤3)、4)和5)，循环6-10次后获得耐高温抗氧化导热碳纤维/碳化硅复合材料。
[0013]碳纤维织布浸泡在Fe(N03)3溶液前，将碳纤维织布清洗烘干后置于管式炉中，在Ar气氛下以5-15°C/min的速率升温至700-800°C，恒温0.5-2h以去除碳纤维织物出厂时表面涂覆的聚合物涂层。
[0014]优选Fe (NO3) 3 浓度为 0.05-0.3mol/L 的溶液。
[0015]优选Ar气升温速率为5-15°C/min。
[0016]优选碳源为乙醇、二甲苯混合溶液，乙醇:二甲苯体积比为= 1:1。
[0017]具体说明如下:
[0018]1.除胶:将碳纤维织布清洗烘干后置于管式炉中，在Ar气氛下以5-15°C/min的速率升温至700-800°C，恒温0.5-2h以去除碳纤维织物出厂时表面涂覆的聚合物涂层。除胶后碳纤维织布如图2所示；
[0019]2.负载催化剂:将除胶的碳纤维织布浸泡在浓度为0.05-0.3mol/L的Fe(N03)3溶液中；浸泡0.5-2h后取出烘干；
[0020]3.生长碳纳米管(CNT):将负载催化剂的碳纤维织布置于管式炉中；通入Ar(流量为200-400sccm)，以5-15°C/min的速率升温至400-500°C。减小Ar流量至 100-200sccm同时通入H2(流量为200-300sccm); 10-30min后增大Ar流量至350-400sccm，减小H2流量为20-50sccm；以5-15°C/min的速率升温至750-850°C ;通入碳源(乙醇:二甲苯=1:1)，注射速度为20ml/h，生长时间为10-60min;生长结束后关闭H2减小Ar流量至200-300sccm;降温后取出样品。生长有碳纳米管的碳纤维织布如图3所示。在碳纤维上生长碳纳米管可以提高碳纤维表面粗糙度并可产生毛细管现象，使先驱体溶液在碳纤维浸上的润性得到提升，减少界面间隙，有利于增强复合材料的导热性能;此外碳纳米管还可以起到机械啮合作用，增强碳纤维与碳化硅基体的界面结合能力；
[0021]4.浸渍聚碳硅烷(PCS):将碳纤维织布裁剪成规定尺寸。将4-8层碳纤维织布叠加在一起浸泡在0.1-0.3g/ml的PCS 二甲苯溶液中；在负压状态浸泡0.5_2h后将碳纤维织布叠层取出，烘干后形成块体;相比碳纤维三维编织体，二维的碳纤维织布叠层有利于碳纳米管的生长以及先驱体溶液的浸润，还具有更高的抗压强度；
[0022]5.PCS氧化交联:将块体置于马弗炉中，在200°C下氧化l_2h，以提高碳化硅产率以及稳定样品形貌；
[0023]6.?03热解:将样品放入管式炉中，通入六4流量为500-8008(^111)，以5-15°(:/1^11的速率升温至1200°C，恒温10-60min后降温；
[0024]7.为使样品致密，需反复进行步骤4、5、6。经过6-10次循环后获得碳纤维/碳化硅复合材料。碳纤维/碳化硅复合材料的截面结构如图4所示。
[0025]通过在碳纤维上生长碳纳米管以增强碳纤维与碳化硅的界面相互作用，从而使碳纤维与碳化硅基体结合更紧密，制备出一种耐高温抗氧化导热碳纤维/碳化硅复合材料。这种碳纤维/碳化硅复合材料具有良好的力学性能，弯曲强度可达115MPa以上，抗压强度可达450MPa以上。这种碳纤维/碳化硅复合材料具有良好的抗氧化性能，能在空气中耐受长时间的高温(800-1200°C)烧蚀。碳纤维/碳化硅复合材料的导热率能达到10W/(m.K)以上。本发明方法简单、低成本、能耗低，不需要高温热压，对设备要求低，所制备的碳纤维/碳化硅复合材料具有优异的耐高温、抗氧化、高热导率等性能。
【附图说明】
[0026]图1为本发明的碳纤维/碳化硅复合材料的制备方法流程图；
[0027]图2为碳纤维织布的扫描电镜图片；
[0028]图3为生长有碳纳米管的碳纤维织布的扫描电镜图片；
[0029]图4为碳纤维/碳化硅复合材料的截