一种碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料的制备方法及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种SiBCN陶瓷复合材料的制备方法及应用。
【背景技术】
[0002]现代陶瓷材料由于具有高强度、耐高温、抗腐蚀、抗氧化、低密度等优异性能，在先进航空航天器结构部件、高温发动机、涡轮机、原子能反应堆壁、高温传感器等高技术领域获得了广泛应用。SiBCN多元体系陶瓷与SiC、Si3N4、BN等二元体系陶瓷及SiCN、SiCO等三元体系陶瓷相比，具有更加优异的耐高温和抗氧化性能，是一种备受青睐的新型陶瓷材料。然而，SiBCN多元体系陶瓷用于制备高超声速飞行器大面积迎风区、端头及翼前缘等超高温部位结构时，其力学性能仍不能满足要求。碳纤维(carbon fiber, CF)是一种含碳量在90%以上的低密度、高强度、高比模量的纤维状碳材料，具有突出的耐磨性、耐热性、润滑性、耐酸碱性等性能，是功能复合材料中一种重要的增强体。
[0003]但是现有的碳纤维与SiBCN陶瓷复合材料中存在碳纤维与SiBCN陶瓷之间的力学性能较差，尤其是碳纤维与SiBCN陶瓷之间的界面剪切强度较差，影响复合材料的韧性，不利于复合材料的应用。
【发明内容】
[0004]本发明是要解决现有碳纤维与SiBCN陶瓷复合材料中存在碳纤维与SiBCN陶瓷之间的力学性能较差的问题，提供一种碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料的制备方法及应用。
[0005]本发明碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料的制备方法，按以下步骤进行:
[0006]—、碳纤维表面氧化处理:将碳纤维完全浸没在丙酮中，在温度为70?80°C的条件下加热回流22?26h，在温度为50?60°C下干燥12?14h，得到干燥后的碳纤维，将干燥的碳纤维完全浸没在浓硝酸中，在室温下浸泡5?10h，从浓硝酸中取出后，用去离子水将碳纤维洗涤至中性，在温度为50?60°C下干燥12?14h，得到氧化处理的碳纤维；
[0007]二、碳纤维表面催化剂的附着:称取一定质量的金属盐，配制0.01?0.2mol/L的金属盐丙酮溶液，将步骤一得到的氧化处理的碳纤维浸入金属盐丙酮溶液中，在室温条件下浸泡10?15h，将浸泡之后的碳纤维取出，放入50?60°C干燥12?14h ；
[0008]三、碳纳米管改性碳纤维增强体的制备:采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在附着有催化剂的碳纤维表面生长碳纳米管，具体是将附着有催化剂的碳纤维放入炉腔试样台，抽真空至炉腔内的压强为OPa，以20sCCm的流速通入H2，控制炉内压强为200Pa，以20°C /min的速度升温至600?800°C，开始通入CH4，压强稳定后，打开射频开关，维持10?30min，关闭射频，依次停止通入014及Η 2，将炉内压强抽真空至OPa，炉内温度降至室温，制得碳纳米管改性碳纤维多尺度增强体；
[0009]四、碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷先驱体的制备:将步骤三制得的碳纳米管改性碳纤维增强体、三氯化硼、三氯硅烷及六甲基二硅氮烷均匀混合，在温度为50?90°C，氮气气氛条件下保温2?4h，然后升高温度至160?240°C，在温度为160?240°C，氮气气氛条件下保温2?4h，减压蒸馏去除杂质，得到碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷先驱体；
[0010]五、碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料的制备:将步骤四得到的碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷先驱体放入真空烧结炉中，在室温下通入氮气30?90min，在氮气气氛下以15°C /min的速度将温度从25°C升高到900°C，保温，之后以10°C /min的升温速度将温度升高到1400°C，保温，在氮气气氛条件下自然降温至室温，得到碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料。
[0011]上述碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料作为一种轻质、强韧化、高可靠性热防护材料可用于制备高超声速飞行器的大面积迎风区、端头及翼前缘等超高温部位结构。
[0012]由于碳纤维具有突出的耐磨性、耐热性、润滑性、耐酸碱性等性能，因此碳纤维增强的复合材料也相应的具备了高比模量、高强度、耐高温、耐腐蚀等性能。而制备复合材料时，碳纤维与陶瓷基体的结合强度决定了复合材料的界面性能，直接影响了碳纤维与陶瓷复合材料的整体力学性能。只有当碳纤维与基体材料紧密结合，基体材料才能有效传递外界载荷，提高复合材料的力学性能。本发明通过对碳纤维进行表面改性，提高其比表面积，增加纤维与基体之间的浸润性，提高纤维与基体之间的界面剪切强度，改善界面性能，对陶瓷基复合材料的强韧化具有十分重要的意义。
[0013]本发明的有益效果:
[0014]1、本发明制备的碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料，采用等离子体增强化学气相沉积的手段，在附着有催化剂的碳纤维表面原位生长碳纳米管，实现了碳纳米管与碳纤维之间的有效连接，显著增大了碳纤维与陶瓷基体之间的结合界面，提高了碳纤维增强体与陶瓷基体之间的界面结合力，保证了陶瓷基体与纤维增强体之间载荷的有效传递。本发明制备的复合材料的界面剪切强度可达到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为原料制备了 SiBCN多元体系陶瓷基体，相比于以二元体系及三元体系陶瓷为基体制备的复合材料，碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料具有更加优异的耐高温性能及力学性能。
【附图说明】
[0016]图1为实施例1碳纳米管改性碳纤维的扫描电子显微镜照片；
[0017]图2为实施例1碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料的扫描电子显微镜照片；
[0018]图3为实施例1碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料力学性能测试结果;
[0019]图4为实施例2碳纳米管改性碳纤维的扫描电子显微镜照片；
[0020]图5为实施例2碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料的扫描电子显微镜照片；
[0021]图6为实施例2碳纳米管改性碳纤维与SiBCN陶瓷基体界面剪切强度测试结果；
[0022]图7为实施例3碳纳米管改性碳纤维的扫描电子显微镜照片；
[0023]图8为实施例3碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料的扫描电子显微镜照片；
[0024]图9为实施例3碳纳米管改性碳纤维与SiBCN陶瓷基体界面剪切强度测试结果；
[0025]图10为实施例4碳纳米管改性碳纤维的扫描电子显微镜照片；
[0026]图11为实施例4碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料的扫描电子显微镜照片；
[0027]图12为实施例4碳纳米管改性碳纤维与SiBCN陶瓷基体界面剪切强度测试结果。
【具体实施方式】
[0028]本发明技术方案不局限于以下所列举【具体实施方式】，还包括各【具体实施方式】间的任意组合。
[0029]【具体实施方式】一:本实施方式碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料的制备方法，按以下步骤进行:
[0030]一、对碳纤维表面进行氧化处理，得到氧化处理的碳纤维；
[0031]二、碳纤维表面催化剂的附着: