CN103073318A

CN103073318A - 一种碳化硼/碳纤维复合陶瓷及其制备方法

Info

Publication number: CN103073318A
Application number: CN2013100367618A
Authority: CN
Inventors: 张福军
Original assignee: Sinofusion solar Performance Material Co Ltd
Current assignee: Sinofusion solar Performance Material Co Ltd
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2013-05-01

Abstract

本发明公开一种碳化硼/碳纤维复合陶瓷,其特征在于其具备层状结构，碳化硼层和碳纤维层交替分布，通过碳化硼陶瓷与碳纤维增强复合材料的结合，可利用碳化硼的高硬度等优异性能，同时通过碳纤维增强材料的非脆性断裂特点改善碳化硼陶瓷的脆性失效的缺点。通过沥青等有机碳源物质的预先浸渍成型，获得碳纤维增强体。然后将预先成型的碳化硼成型体或直接与碳化硼微粉共烧结，获得具有层状分布碳化硼复合材料。

Description

一种碳化硼/碳纤维复合陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明属于碳化硼复合陶瓷的领域，尤其涉及一种碳化硼/碳纤维复合陶瓷及其制备方法。

背景技术

碳化硼具有一系列优良的性能,如密度低,理论密度仅为2.52g/cm3,硬度高,莫氏硬度为9.3,显微硬度为55~67 GPa,是仅次于金刚石和立方BN的最硬材料,化学性质稳定,碳化硼在常温下不与酸、碱和大多数无机化合物反应,仅在氢氟酸-硫酸、氢氟酸-硝酸混合物中有缓慢的腐蚀,是化学性质最稳定的化合物之一。同时碳化硼还有很强的吸收中子的能力。基于这些优良的特性,碳化硼在耐磨、耐腐蚀器件、防弹装甲、核能等许多领域得到了广泛的应用。

但碳化硼脆性大，常常以脆性断裂为主，这大大限制了碳化硼陶瓷的应用。目前提高陶瓷韧性的办法有多种，可以采用颗粒增强、或具有特定晶粒取向结构的排布、或采用晶须、纳米管以及纤维增韧的方式。

专利申请号为200910180582.5的中国专利报道了一种碳纤维/碳化硼复合陶瓷及其制备方法，其中碳化硼的质量占45-60%，碳纤维占40-55%，该发明利用碳纤维的增韧性能，在单一碳化硼材料的基础上提高了硬度和断裂韧性10-50%。

发明内容

本发明提供了一种新型碳化硼/碳纤维复合陶瓷，本发明所采用的技术方案是：一种碳化硼/碳纤维复合陶瓷,其特征在于其具备层状结构,碳化硼和碳纤维交替分布，每层碳化硼的厚度在1-300mm，且厚度可调；

所述碳纤维是经浸渍处理的短切碳纤维、连续纤维编织体或者由短切碳纤维组成的石墨毡；

所述碳纤维浸渍处理所用的试剂为有机碳前驱体；

所述有机碳前驱体为沥青、煤焦油、酚醛树脂、糠醛树脂。

本发明还提供了一种碳化硼/碳纤维复合陶瓷的制备方法，所采用的技术方案是：

步骤一：制备碳化硼粉末或将碳化硼粉末预先成型；

步骤二：碳纤维预先浸渍成型；

步骤三：将碳化硼粉末或碳化硼预成型体与浸渍过后的碳纤维叠层组合，碳化硼粉末与浸渍过后的碳纤维在常压或热压下成型，碳化硼预成型体与浸渍过后的碳纤维烧结或热压成型；

所述步骤二中碳纤维包括短切碳纤维、连续纤维编织体或由短切碳纤维组成的石墨毡；

所述有机碳前驱体为沥青、煤焦油、酚醛树脂、糠醛树脂；

所述有机前驱体中加入碳化硼微粉或硼粉。

本发明所解决的基础技术问题的能够克服单一碳化硼材料的韧性不好的缺点，更进一步地提出了一种新结构的复合材料，本发明取得的有益效果是：具备层状结构的碳化硼/碳纤维复合材料，碳化硼和碳纤维交替分布，这一结构提高了碳化硼复合材料的密度，同时也提高了碳化硼材料的面硬度，相比于现有技术中的复合材料具有更好的材料硬度和韧性性能。

附图说明

图1 碳化硼复合材料的示意图。

其中1：碳纤维增强碳材料；2：碳化硼。

具体实施方式

下面将通过实施例进一步描述本发明，但不仅仅局限于以下实施例。

实施例1：

先称取主料，碳化硼粉97wt% (D50=1.9μm)和碳粉3wt%，再称取并加入异丁烯类聚合物2.5wt%（以主料计），四甲基氢氧化铵1.0wt%（以主料计），与去离子水一起放入球磨罐内，加入B₄C介质球，介质球与物料重量比为2:1，球磨36小时，后经蠕动泵送入到喷雾干燥造粒机内造粒，采用80目过筛后使用。将造粒料充入金属模具中，经30MPa压力成型，得到60mm×60mm×6mm试样。

将购买的高模量短切碳纤维（25vol%），在通风橱中逐渐加入到苯溶剂中，并采用超声分散，再逐渐将沥青加入，并分散。将分散均匀的短切碳纤维-沥青体系混合物，真空干燥箱中120oC，3小时烘干。取出烘干后的短切碳纤维-沥青混合物，手工加工出面积为60mm×60mm的样块。

将碳化硼样块与短切碳纤维-沥青混合物样块上下水平放置，并放入到热压石墨模具内，装入碳管炉内，向炉内缓慢通入流动的Ar气，20MPa压力下，缓慢升温至800oC，保温0.5小时，然后快速升温至2100oC，保温1小时，随炉冷却降至室温。得到的样品，碳化硼层厚度约为3.5mm，碳纤维增强碳材料层约为1.2mm。

采用阿基米德法测量密度与开口孔隙率，分别为2.301g/cm³和2.31%，通过计算知，该碳化硼复合材料到达理论密度值的93.9%（碳化硼理论密度2.52 g/cm³，碳纤维增强碳材料理论密度以2.25 g/cm³计算）。测得碳化硼面硬度为3239HV0.3。

实施例2：

先称取主料，碳化硼粉95.5wt% (D50=1.9μm)和硼粉4.5wt%，再称取并加入PVA1.5wt%（以主料计），四甲基氢氧化铵1.0wt%（以主料计），与去离子水一起放入球磨罐内，加入B₄C介质球，介质球与物料重量比为2:1，球磨36小时，后经蠕动泵送入到喷雾干燥造粒机内造粒，采用80目过筛后使用。将造粒料充入金属模具中，经80MPa压力成型，得到60mm×60mm×4mm试样。

在通风橱中先将沥青溶于苯中，然后将购买的碳纤维布（400g/m²，厚度为0.42mm），在沥青-苯溶液中浸渍，同时施以超声分散。将浸渍有沥青的纤维布，放入真空干燥箱中120oC，8小时烘干。取出烘干后的碳纤维布-沥青混合物，手工切成面积为60mm×60mm的样品。

将浸渍有沥青的60mm×60mm的碳纤维布，依次放入到热压石墨模具内，然后最上面放一层60mm×60mm×4mm的碳化硼预压片。将装好的石墨模具带样品一起放入碳管炉内，向炉内缓慢通入流动的Ar气，10MPa压力下，缓慢升温至800oC，保温0.5小时，然后将压力提高至40MPa，快速升温至2100oC，保温1小时，随炉冷却降至室温。得到的样品，碳化硼层厚度约为2.1mm，碳纤维增强碳材料层约为4.0mm。

采用阿基米德法测量密度与开口孔隙率，分别为1.993g/cm³和5.31%，通过计算知，该碳化硼复合材料到达理论密度值的85.1%（碳化硼理论密度2.52 g/cm³，碳纤维增强碳材料理论密度以2.25 g/cm³计算）。测得碳化硼面硬度为3378HV0.3。

实施例3：

先向碳化硼粉(D50=0.8μm)中加入甲基纤维素3wt%（以碳化硼粉计），葡萄糖3wt%（以碳化硼粉计），四甲基氢氧化铵2wt%（以碳化硼粉计），与去离子水共同放入球磨罐内，加入B₄C介质球，介质球与物料重量比为4:1，球磨48小时，后经蠕动泵送入到喷雾干燥造粒机内造粒，采用80目过筛后使用。将造粒料充入金属模具中，经100MPa压力成型，得到60mm×60mm×4mm试样。

在通风橱中先将沥青溶于苯中，并向其中加入15%的碳化硼微粉(D50=0.8μm)。将购买的高温石墨毡（0.14g/cm³，厚度为15mm），在沥青-苯溶液中浸渍，同时施以超声分散。将浸渍有沥青-碳化硼微粉的碳毡，放入真空干燥箱中120oC，8小时烘干。取出烘干后的碳毡-沥青/碳化硼混合物，手工切成面积为60mm×60mm的样品。

将浸渍过的60mm×60mm的碳毡，依次放入到热压石墨模具内，上面放一层60mm×60mm×4mm的碳化硼预压片。将装好的石墨模具带样品一起放入碳管炉内，向炉内缓慢通入流动的Ar气，10MPa压力下，缓慢升温至800oC，保温0.5小时，然后将压力提高至40MPa，快速升温至2050oC，保温1小时，随炉冷却降至室温。得到的样品，碳化硼层厚度约为2.1mm，碳纤维增强碳/碳化硼材料层约为6.2mm厚。

采用阿基米德法测量密度与开口孔隙率，分别为2.13g/cm³和3.62%，通过计算知，该碳化硼复合材料到达理论密度值的90.3%（碳化硼理论密度2.52 g/cm³，碳纤维增强碳材料理论密度以2.25 g/cm³计算）。测得碳化硼面硬度为3280HV0.3。

Claims

1.一种碳化硼/碳纤维复合陶瓷,其特征在于其具备层状结构,碳化硼和碳纤维交替分布,碳化硼的厚度在1-300mm。

2.根据权利要求1所述的碳化硼/碳纤维复合陶瓷，其特征在于碳纤维是经浸渍处理的短切碳纤维、连续纤维编织体或者由短切碳纤维组成的石墨毡。

3.根绝权利要求2所述的碳化硼/碳纤维复合陶瓷，其特征在于碳纤维浸渍处理所用的试剂为有机碳前驱体。

4.根据权利要求3所述的碳化硼/碳纤维复合陶瓷，其特征在于有机碳前驱体为沥青、煤焦油、酚醛树脂、糠醛树脂。

5.一种制备权利要求1所述的碳化硼/碳纤维复合陶瓷的方法，包括：

步骤一：将碳化硼粉末预先成型；

步骤二：碳纤维预先浸渍成型；

步骤三：将碳化硼粉末或碳化硼预成型体与浸渍过后的碳纤维叠层组合，碳化硼粉末与浸渍过后的碳纤维在常压或热压下成型，碳化硼预成型体与浸渍过后的碳纤维烧结或热压成型。

6.根据权利要求5所述的碳化硼/碳纤维复合陶瓷的方法，其特征在于步骤二中碳纤维包括短切碳纤维、连续纤维编织体或由短切碳纤维组成的石墨毡。

7.根据权利要求5所述的碳化硼/碳纤维复合陶瓷的方法，其特征在于步骤二中浸渍所用试剂为有机碳前驱体。

8.根据权利要求7所述的碳化硼/碳纤维复合陶瓷的方法，其特征在于有机碳前驱体为沥青、煤焦油、酚醛树脂、糠醛树脂。

9.根据权利要求7或8所述的碳化硼/碳纤维复合陶瓷的方法，其特征在于有机前驱体中加入碳化硼微粉或硼粉。