CN104803695A - 一种高强碳纤维增强氮化硼陶瓷基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强碳纤维增强氮化硼陶瓷基复合材料及其制备方法，其特征在于，由下列重量份的原料制成：氮化硼60-70、三氧化铱5-8、碳化铪5-8、锰粉8-12、改性高弹碳纤维10-14、过硫酸铵0.03-0.05、丙烯酸5-7、二甲胺基丙胺0.3-0.5、轻质碳酸钙10-12、壳聚糖2-3、乙醇20-30、去离子水40-60；本发明采用改性高强碳纤维作为增强相，具有优良的抗氧化、增强陶瓷韧性、强度、耐高低温、导热性好和膨胀系数小的优点，添加的三氧化铱和碳化铪喷涂在坯体表面，提高了烧结性能。

Description

一种高强碳纤维增强氮化硼陶瓷基复合材料及其制备方法

技术领域

            本发明涉及一种高强碳纤维增强氮化硼陶瓷基复合材料及其制备方法，属于陶瓷生产技术领域。

背景技术

纤维增强陶瓷基复合材料是陶瓷基复合材料中年轻的一员，纤维增强陶瓷基复合材料具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、导热系数低、热膨胀系数低、耐化学侵蚀性好等优点，在树脂基和金属基乃至一些陶瓷基复合材料不能满足性能要求的工况条件下得到广泛的应用，是目前复合材料中最活跃的研究领域之一。高弹碳纤维具有强度高，弹性模量高，密度小、比强度高，能耐超高、低温，耐酸碱腐蚀性好，热膨胀系数小、导热系数大，可以耐急冷急热不易炸裂的优点，但是高弹碳纤维的缺点是在强酸作用下易发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象，所以本发明采用凝胶-浸渍法在碳纤维表面进行抗氧化处理，大大提高了高弹碳纤维的性能。碳纤维增强陶瓷复合材料具有明显的耐高低温性能、耐酸性、耐摩擦、耐磨损的优点，生物相容性好，适用性广，作为陶瓷基体的增强相可以保证产品的质量，又能够降低成本，拥有其他材料无法比拟的优势。

氮化硼具有良好的耐热性、热稳定性、导热性、高温介电强度，是理想的散热材料和高温绝缘材料。氮化硼的化学稳定性好，能抵抗大部分熔融金属的浸蚀。它也有很好的自润滑性。氮化硼制品的硬度低，可进行机械加工，具有良好的化学相容性且具有适中的剪切强度，是目前陶瓷基复合材料中可选择的理想的界面相控制材料。虽然六方氮化硼具有如此优良的性能及巨大的应用潜力，但是它是一种共价键化合物，其在高温下的自扩散系数低，故其烧结性能很差。目前国内外主要是通过在烧结助剂的促进下进行热压烧结法制备的氮化硼陶瓷，但热压烧结设备复杂、能耗大、 生产效率低，无法进行大规模化的生产且不能制备形状复杂的部件。烧结助剂的加入会降低氮化硼陶瓷的一些性能比如耐高温、热导率、抗热震和介电等性能，不利于其在高温下的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强碳纤维增强氮化硼陶瓷基复合材料及其制备方法，采用凝胶注模成型工艺不仅得到密度均匀硬度高的坯体，且提高了烧结性能，无需另加烧结助剂实现坯体的致密化，可制备出各种形状的坯体，尺寸偏差小，方法简单，可实现大规模生产。

为了实现本发明的目的，本发明通过以下方案实施：

一种高强碳纤维增强氮化硼陶瓷基复合材料及其制备方法，由下列重量份的原料制成：氮化硼60-70、三氧化铱5-8、碳化铪5-8、锰粉8-12、改性高弹碳纤维10-14、过硫酸铵0.03-0.05、丙烯酸5-7、二甲胺基丙胺0.3-0.5、轻质碳酸钙10-12、壳聚糖2-3、乙醇20-30、去离子水40-60；

所述改性高强碳纤维的制备方法是：将高强碳纤维在硝酸中浸泡1-2小时，取出后用蒸馏水冲洗2-3次，烘干备用；将10-15重量份的钛酸四丁酯和150-180重量份的乙醇混合加到带有磁力搅拌器的烧瓶中，将2-3重量份的去离子水、0.2-0.4重量份的盐酸和2-5重量份的乙醇充分混合，缓慢滴加到烧瓶中，再加入2-4重量份的氧化银粉末，搅拌30-40分钟，将备用的高强碳纤维加到凝胶中在真空度为0.09-0.1MPa下浸渍1-2小时，取出后于70-80°C下烘干，如此反复操作2-3次，最后在高纯氩气的保护下于500-600°C下高温反应1-2小时即可。

本发明所述一种高强碳纤维增强氮化硼陶瓷基复合材料及其制备方法，由以下具体步骤制成：

（1）将氮化硼、锰粉和轻质碳酸钙加到球磨机中，以氧化铝求作为球磨介质，料球比为1:2，再将丙烯酸、过硫酸铵加到乙醇和去离子水的混合溶液中，溶解后加入壳聚糖和改性高弹碳纤维搅拌均匀后加到球磨机中，球磨20-40分钟；

（2）将球磨得到的浆料抽真空，抽2-5分钟后向浆料中加入二甲胺基丙胺继续搅拌均匀，再将浆料注入到叠层玻璃模具中后在真空干燥箱内于60-80°C下干燥1-2小时；

（3）将步骤（2）中的湿坯脱模在室温下自然干燥1-2天，然后在95-100°C温度下，湿度在60-70%的条件下干燥1-2天，将剩余的成分装入等离子喷涂送粉装置在坯体表面喷涂均匀；

（4）将步骤（3）的坯体在室温下以3-5°C/min的速率升温至200°C，再以1-2°C/min的速率升温至600°C，恒温保持1-2小时后放置于真空烧结炉中，在1400-1600°C的温度下烧结3-4小时，即可得到。

本发明的优点是：本发明采用改性高强碳纤维作为增强相，具有优良的抗氧化、增强陶瓷韧性、强度、耐高低温、导热性好和膨胀系数小的优点，添加的三氧化铱和碳化铪喷涂在坯体表面，提高了烧结性能。

        具体实施方案          

下面通过具体实例对本发明进行详细说明。

一种高强碳纤维增强氮化硼陶瓷基复合材料及其制备方法，由下列重量份（公斤）的原料制成：氮化硼70、三氧化铱6、碳化铪7、锰粉9、改性高弹碳纤维12、过硫酸铵0.03、丙烯酸6、二甲胺基丙胺0.4、轻质碳酸钙10、壳聚糖3、乙醇30、去离子水60；

所述改性高强碳纤维的制备方法是：将高强碳纤维在硝酸中浸泡2小时，取出后用蒸馏水冲洗3次，烘干备用；将15重量份的钛酸四丁酯和180重量份的乙醇混合加到带有磁力搅拌器的烧瓶中，将3重量份的去离子水、0.4重量份的盐酸和5重量份的乙醇充分混合，缓慢滴加到烧瓶中，再加入4重量份的氧化银粉末，搅拌40分钟，将备用的高强碳纤维加到凝胶中在真空度为0.09MPa下浸渍1小时，取出后于80°C下烘干，如此反复操作3次，最后在高纯氩气的保护下于600°C下高温反应2小时即可。

本发明所述一种高强碳纤维增强氮化硼陶瓷基复合材料及其制备方法，由以下具体步骤制成：

（1）将氮化硼、锰粉和轻质碳酸钙加到球磨机中，以氧化铝求作为球磨介质，料球比为1:2，再将丙烯酸、过硫酸铵加到乙醇和去离子水的混合溶液中，溶解后加入壳聚糖和改性高弹碳纤维搅拌均匀后加到球磨机中，球磨30分钟；

（2）将球磨得到的浆料抽真空，抽4分钟后向浆料中加入二甲胺基丙胺继续搅拌均匀，再将浆料注入到叠层玻璃模具中后在真空干燥箱内于80°C下干燥2小时；

（3）将步骤（2）中的湿坯脱模在室温下自然干燥2天，然后在100°C温度下，湿度在60%的条件下干燥2天，将剩余的成分装入等离子喷涂送粉装置在坯体表面喷涂均匀；

（4）将步骤（3）的坯体在室温下以4°C/min的速率升温至200°C，再以1°C/min的速率升温至600°C，恒温保持2小时后放置于真空烧结炉中，在1500°C的温度下烧结3小时，即可得到。

本实施例中陶瓷的性能指标结果如下：

弹性模量（GPa）:≥32；

断裂韧性（Mpa/m^1/2）：≥5.2；

弯曲强度（MPa）：≥340；

热膨胀系数（10^-6/K）：≥2.4；

冲击韧性（KJ·m2）：≥2.3。

Claims (2)

1.一种高强碳纤维增强氮化硼陶瓷基复合材料及其制备方法，其特征在于，由下列重量份的原料制成：氮化硼60-70、三氧化铱5-8、碳化铪5-8、锰粉8-12、改性高弹碳纤维10-14、过硫酸铵0.03-0.05、丙烯酸5-7、二甲胺基丙胺0.3-0.5、轻质碳酸钙10-12、壳聚糖2-3、乙醇20-30、去离子水40-60；

所述改性高强碳纤维的制备方法是：将高强碳纤维在硝酸中浸泡1-2小时，取出后用蒸馏水冲洗2-3次，烘干备用；将10-15重量份的钛酸四丁酯和150-180重量份的乙醇混合加到带有磁力搅拌器的烧瓶中，将2-3重量份的去离子水、0.2-0.4重量份的盐酸和2-5重量份的乙醇充分混合，缓慢滴加到烧瓶中，再加入2-4重量份的氧化银粉末，搅拌30-40分钟，将备用的高强碳纤维加到凝胶中在真空度为0.09-0.1MPa下浸渍1-2小时，取出后于70-80°C下烘干，如此反复操作2-3次，最后在高纯氩气的保护下于500-600°C下高温反应1-2小时即可。

2.根据权利要求书1所述一种高强碳纤维增强氮化硼陶瓷基复合材料及其制备方法，其特征在于，由以下具体步骤制成：

（1）将氮化硼、锰粉和轻质碳酸钙加到球磨机中，以氧化铝求作为球磨介质，料球比为1:2，再将丙烯酸、过硫酸铵加到乙醇和去离子水的混合溶液中，溶解后加入壳聚糖和改性高弹碳纤维搅拌均匀后加到球磨机中，球磨20-40分钟；

（2）将球磨得到的浆料抽真空，抽2-5分钟后向浆料中加入二甲胺基丙胺继续搅拌均匀，再将浆料注入到叠层玻璃模具中后在真空干燥箱内于60-80°C下干燥1-2小时；

（3）将步骤（2）中的湿坯脱模在室温下自然干燥1-2天，然后在95-100°C温度下，湿度在60-70%的条件下干燥1-2天，将剩余的成分装入等离子喷涂送粉装置在坯体表面喷涂均匀；

（4）将步骤（3）的坯体在室温下以3-5°C/min的速率升温至200°C，再以1-2°C/min的速率升温至600°C，恒温保持1-2小时后放置于真空烧结炉中，在1400-1600°C的温度下烧结3-4小时，即可得到。