CN102951919B - 一种在C/SiC复合材料中原位生长β-SiC纳米纤维的方法 - Google Patents
一种在C/SiC复合材料中原位生长β-SiC纳米纤维的方法 Download PDFInfo
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Abstract
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。
Description
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±1.5MPa·m1/2增加至20.3±2.0MPa·m1/2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，利用先驱体浸渍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：
（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；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渍碳纤维织物，真空度小于0.1MPa，浸渍时间20~40min；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。
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℃/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T300或T700或T800，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，提高使用性能。
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：（1）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，对于后续的浸渍起到浸润的作用，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渍剂的均匀分布，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。
附图说明
图1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1
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：
（1）将3K-T300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渍罐中，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0.1Mpa，浸渍时间30min；取出浸渍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）固化后的浸渍碳纤维织物，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1h，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1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：
（1）将6K-T700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渍罐中，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0.1Mpa，浸渍时间20min；取出浸渍碳纤维织物在空气中凉干，在管式炉中230℃固化3小时。
（3）将步骤（2）固化后的浸渍碳纤维织物，在真空炉充入Ar气，炉中以5°C/min的升温速率加热至1200℃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：
（1）将3K-T800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渍碳纤维织物，真空度小于0.1Mpa，浸渍时间40min；将浸渍碳纤维织物取出，在空气中凉干，在管式炉中250℃固化1小时；
（3）将步骤（2）固化后的浸渍碳纤维织物，在真空炉充入Ar气，炉中以15℃/min的升温速率加热至1400℃恒温1h，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：
（1）将6K-T300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渍罐中，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0.1Mpa，浸渍时间35min；取出浸渍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）固化后的浸渍碳纤维织物，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1.5h，然后随炉冷却至室温。
Claims (2)
1.一种在C/SiC复合材料中原位生长β-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；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渍碳纤维织物，真空度小于0.1Mpa，浸渍时间20～40min；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；升温速率为5～15℃/min。
2.根据权利要求1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，其特征在于：所述的碳纤维种类为T300或T700或T800，编织方式为碳毡或多向编织方式。
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