一种原位生长碳化硅纳米线增强多孔碳复合材料的制备方法与流程

本发明属于航空航天飞行器热防护系统(TPS)领域，涉及到在多孔碳复合材料内原位生长碳化硅纳米线增强相的制备方法，克服了多孔碳复合材料强度低的问题。

背景技术：

多孔碳复合材料即为短切纤维连接碳基体形成的孔隙率很高的复合材料，自从1960年美国建立了橡树岭国家实验室以来，多孔碳复合材料得到了很好地发展。由于其轻质(密度0.3g/cm³-1g/cm³)高的孔隙率(60％-90％)，低的热传导系数(在Z方向热传导率0.204Wm^-1K^-1到0.894Wm^-1K^-1,在XY方面热传导率0.314Wm^-1K^-1到1.888Wm^-1K^-1)，高温结构的稳定性，容易成型，并有望应用于航空航天飞行器热防护的关键部件。如：飞行器鼻锥、喷管、喉衬、机翼前缘、燃烧舵、发动机热端等部位。但多孔碳复合材料固有的缺点是强度低，这严重制约着其广泛的应用前景,加入增强相，能够有效的提高多孔碳复合材料的强度。

碳化硅纳米线可以作为理想的增强相，然而用碳化硅纳米线增强多孔碳复合材料，制备主要存在以下技术难点。

碳化硅纳米线容易团聚，不好分散，若采用球磨极易破坏碳化硅纳米线的结构。

为了得到碳化硅纳米线增强多孔碳复合材料，需要从制备工艺入手。在不破坏多孔碳复合材料的结构基础之上，考虑将碳化硅纳米线均匀分散到多孔碳复合材料中起到增强作用。

技术实现要素：

本发明的目的是通过将硅加热蒸发，生成气体，气体进入多孔碳复合材料胚体的孔隙中，在一定温度条件下和碳反应生长出碳化硅纳米线，然后经过进一步处理形成多孔碳复合材料。解决了制备碳化硅纳米线增强多孔碳复合材料的技术难点，提高了多孔碳复合材料的强度。

本发明的技术方案：

一种原位生长碳化硅纳米线增强多孔碳复合材料的制备方法，步骤如下：

(1)制备多孔碳复合材料胚体

将羟乙基纤维素溶于蒸馏水中形成质量百分浓度为1％-2％的分散剂，然后将长度1-5mm的短碳纤维与粒径≤0.1mm的酚醛树脂颗粒分散到分散剂中，搅拌得到短碳纤维质量百分浓度为0.65％-2.4％溶液，将溶液加入底部有石膏块的容器中，吸水，最终形成短碳纤维夹杂酚醛树脂颗粒的块状体，烘干，在200℃下固化2h，然后在1000℃真空条件下碳化1h，形成多孔碳复合材料胚体；其中短碳纤维与酚醛树脂颗粒质量比为3:5；

(2)制备碳化硅纳米线增强多孔碳复合材料

硅粉置于容器中，在硅粉上加入步骤(1)制备得到的多孔碳复合材料胚体，在真空或惰性气体条件下升温至1500℃保温30min，生成带有碳化硅纳米线的胚体；将带有碳化硅纳米线的胚体置于质量百分浓度为30％-50％的酚醛树脂溶液中抽真空浸渍，然后晾干，200℃固化2h后再1000℃真空碳化1h，得到碳化硅纳米线增强多孔碳复合材料。

本发明的有益效果：本发明利用羟乙基纤维素溶于水中形成良好的分散剂，能够将短碳纤维和酚醛树脂颗粒均匀的分散。经后期吸水干燥以及固化碳化后，形成一种孔隙率高、孔隙直径大的多孔碳复合材料胚体，为后期硅蒸汽的进入，与内部的碳反应生成碳化硅纳米线提供了很好的通道，解决了制备碳化硅纳米线增强多孔碳复合材料中碳化硅纳米线分散难的问题，推动了其广泛的应用前景。

附图说明

图1是多孔碳复合材料胚体的局部放大电子显微照片。

图2是图1经过碳化硅纳米线的生长后局部放大电子显微照片。

图3是本实施例中多孔碳复合材料的断面电子显微照片。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例

一种原位生长碳化硅纳米线增强多孔碳复合材料及制备方法，步骤如下：

(1)将羟乙基纤维素溶解到蒸馏水中，用磁力搅拌器搅拌4个小时，再静置10个小时，形成浓度为1.2％的溶液。

(2)将质量为3克的短碳纤维(长度3mm)和质量为5克的酚醛树脂颗粒(粒径0.1mm)加入上述的溶液中，用磁力搅拌器搅拌2小时，待酚醛树脂，短碳纤维分散均匀。

(3)将分散好的溶液倒入到玻璃管中，底部用石膏块吸水12小时最终形成短碳纤维夹杂树脂颗粒的块状体。

(4)将(3)中块状体烘干，放入高温炉200度固化2h，再在高温炉内真空条件下1000度进行碳化1h，最终形成多孔碳复合材料胚体。

(5)将硅粉放到喷有氮化硼的坩埚底部，上面放上喷有氮化硼的多孔石墨薄片，在石墨薄片上放上多孔碳复合材料胚体。

(6)将石墨坩埚放到管式炉里面，真空条件下升温至1500℃保温3h生成碳化硅纳米线，待冷却室温拿出。

(7)将酚醛树脂溶于酒精中，制成浓度为40％的酚醛树脂溶液，将(6)生成的带有碳化硅纳米线的胚体放入到树脂溶液中抽真空浸渍30min，然后晾干，在高温炉中200℃固化2h，再在高温炉内真空条件下1000℃保温1h进行碳化，最终形成碳化硅纳米线增强多孔碳复合材料。

本实施例中所制得材料的性能结果如下：

密度：0.574g/cm³

孔隙率：66.7％

XY面弯曲强度为11.88Mpa

Z面弯曲强度为4.77Mpa

XY面压缩强度3.89Mpa

Z面压缩强度4.4Mpa

从图1多孔碳复合材料胚体微观结构可以看出，纤维与基体之间形成的孔隙非常多且孔径很大，这为硅蒸汽的进入形成碳化硅提供了很好的通道。从图2碳化硅纳米线生长后的微观照片可以看出，在多孔碳复合材料胚体中有大量的碳化硅纳米线生成，这些碳化硅纳米线均匀分散在碳纤维与基体碳中，将碳纤维与基体连接在一起。

从图3复合材料的断面电子显微照片可以看出，在碳化硅纳米线增强多孔碳复合材料断裂时，在断口还有明显的纳米线拔出，留下的小的空隙，这说明了纳米线在多孔碳复合材料断裂时起到了增强的作用。

综上所述，本发明能够通过原位生长将大量的碳化硅纳米线均匀分散在多孔碳复合材料中，提高了多孔碳复合材料的强度，为多孔碳复合材料的使用提供了保障。