CN105503227A - 一种立体织物增强碳化硅-金刚石复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种立体织物增强碳化硅-金刚石复合材料的制备方法，其特征在于，将碳纤维或碳化硅纤维束进行高温预处理后编织成中空中心轴堆成的立体织物。金刚石粉末、无水乙醇、金属盐化物混合配制成电泳悬浮液，金刚石溶度为10~20g/L。将立体织物放入电泳悬浮液中，电泳沉积金刚石粉末，然后化学气相渗透（CVI）热解碳，对CVI后的立体织物放入浸渍罐中进行硅溶胶真空浸渍处理后，升温至1400~1600℃，惰性气氛下纳米氧化硅粉末与热解碳氧化还原反应，重复电泳沉积、CVI、真空浸渍，高温氧化还原反应3~5次，最终得到立体织物增强碳化硅-金刚石复合材料。该法制备得到复合材料致密度高，力学性能得到明显提高。

Description

一种立体织物增强碳化硅-金刚石复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备方法，特别涉及一种立体织物增强碳化硅-金刚石复合材料的制备方法。

背景技术

电子元件的集成度和功率越来越高，其能量密度和发热量也随之急剧上升。研发高性能的电子封装材料是解决未来电子元器件散热问题的关键。金刚石-碳化硅复合材料不仅具有高的热导率并且具有可调的热膨胀系数和较低的密度、高硬度、物理化学稳定性好等特点，能够满足现代热沉材料的高性能、轻量化的要求，是理想的电子封装材料，因而近年来受到广泛关注。目前制备Diamond/SiC复合材料的工艺主要有：高温高压反应烧结、熔融硅压力渗透、热等静压烧结、微波烧结和先驱体转化法等。真空气相反应渗透工艺是在真空条件将预制的多孔基体置于密闭的反应室内并通入蒸气而发生化学反应，生成物沉积于基体内表面，从而获得致密化的复合材料。该工艺具有周期短、效率高、成本低、对设备要求低、易于制备大尺寸、结构复杂的构件、近净成形等特点。

陶瓷硬质涂层由于其物理，化学和机械性能特性在一些技术领域都引起大量关注，碳化硅是一种对基材有高粘结强度并具有优良耐磨性的有前景硬质材料。碳化硅作为金刚石复合材料结合相，由于碳化硅的热膨胀系数高于金刚石，由于热失配碳化硅会对金刚石产生一个相当可观的正压应力，极大增加了基体对金刚石的把持力。同时碳化硅亦是坚硬材料，能够增加复合材料的耐磨性能。

金刚石-碳化硅具有十分优异的物理性能，但是毕竟作为陶瓷材料，材料脆性较大，给后续加工过程增加了许多困难。因此本发明希望通过电泳沉积法结合氧化硅与碳氧化还原反应法制备纤维增强的金刚石-碳化硅复合材料。连续纤维增强金刚石-碳化硅陶瓷基复合材料可以提高复合材料抗弯强度及断裂韧性，提高复合材料作为电子封装材料使用寿命。

文献“真空气相反应烧结法制备金刚石-碳化硅复合材料，马安，稀有金属与工程”一文通过真空气相反应渗透工艺制备致密金刚石-碳化硅复合材料，该工艺以酚醛树脂为粘结剂，Si作为渗料，将金刚石、硅粉、石墨、酚醛树脂球磨混合，模压成型，高温裂解树脂转化为热解碳后形成多孔预制体，而后1600℃高温下，硅蒸气不断渗入预制体内部，与碳源发生反应生成碳化硅，基体内孔隙逐渐被生成的碳化硅填充后得到致密的金刚石/碳化硅复合材料。具有周期短、效率高、成本低、对设备要求低、近净成型等特点。

申请号为201010541467.9的中国专利公开了一种金刚石/碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法。其特征是原料重量百分比为：5~15%的粘结剂，15~45%的碳化硅粉，40~80%的金刚颗粒。原料经8~24h湿混，75~250MPa压力下模压成形得到复合材料毛坯，毛坯子在空气中氧化，氧化温度200℃，氧化时间6~10h，在氮气保护气氛中800~1200℃温度下烧结8~15h，随炉冷却。然后经真空浸渍、氧化、烧结和冷却，循环3-7次即可获得致密的金刚石/碳化硅陶瓷基复合材料。

但是以上两种制备仅是金刚石-碳化硅复合材料，虽具有优异的物理性能，但力学性能较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，旨在提供一种立体织物增强碳化硅-金刚石复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下顺序步骤：

i.纤维预处理

（1）将碳纤维或碳化硅纤维束进行预处理，在真空或惰性气体中，放入高温炉中升温至800~1200℃，保温1~2h，随炉冷却降温至室温取出备用；

（2）将碳纤维或碳化硅纤维束编织成中空中心轴堆成的立体织物；

ii.电泳悬浮液配制

（1）将粒径为0.5~20um的金刚石粉末、无水乙醇、金属盐化物混合配制成电泳悬浮液，金刚石溶度为10~20g/L；

iii.后处理

（1）将立体织物放入电泳悬浮液中，两个正极电极分别置于立体织物的内围与外围，与立体织物表面间距为0.5~2cm，负极接立体织物，插入超声振动棒，电泳沉积1~5min，电极材料可以选择紫铜，不锈钢，镍，钛、铂其中一种单独使用或是混合使用；

（2）取出后，放置在烘箱中在80~120℃热处理0.5~1h；

（3）然后将立体织物放入高温炉中，真空状态下进行碳的化学气相渗透（CVI）处理，渗透时间为10~20h；

（4）对CVI后的立体织物放入浸渍罐中进行硅溶胶真空浸渍处理，浸渍罐内气压抽至10^-1~10Pa时通入硅溶胶，待淹没立体织物后，停止通入硅溶胶，增加浸渍罐内部压力至2~5MPa，保压15~30min；

（5）取出后，放置在烘箱中在80~120℃热处理1~2h；

（6）然后放入高温炉中，抽至真空状态，升温至1400~1600℃，惰性气氛下纳米氧化硅粉末与热解碳氧化还原反应，反应时间1~5h，随炉冷却至室温取出；

（7）重复（1）~（6）步骤3~5次，最终得到立体织物增强碳化硅-金刚石复合材料。

本发明具有的优点：1、电泳沉积混合粉末颗粒均匀致密，利于反应均匀充分；2、化学气相渗透热解碳均匀致密，与浸渍硅溶胶分解形成纳米氧化硅纳米粉氧化还原反应形成致密碳化硅结合相，保证复合材料高致密度；3、提高复合材料的力学性能。

附图说明

图1为立体织物增强碳化硅-金刚石复合材料的制备方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。

实施例1

.纤维预处理

（1）将碳纤维或碳化硅纤维束进行预处理，在真空或惰性气体中，放入高温炉中升温至1000℃，保温1h，随炉冷却降温至室温取出备用；

（2）将碳纤维或碳化硅纤维束编织成中空中心轴堆成的立体织物；

ii.电泳悬浮液配制

（1）将粒径为10um的金刚石粉末、无水乙醇、金属盐化物混合配制成电泳悬浮液，金刚石溶度为15g/L；

iii.后处理

（1）将立体织物放入电泳悬浮液中，两个正极电极分别置于立体织物的内围与外围，与立体织物表面间距为1cm，负极接立体织物，插入超声振动棒，电泳沉积3min，电极材料可以选择紫铜，不锈钢，镍，钛、铂其中一种单独使用或是混合使用；

（2）取出后，放置在烘箱中在80℃热处理1h；

（3）然后将立体织物放入高温炉中，真空状态下进行碳的化学气相渗透（CVI）处理，渗透时间为15h；

（4）对CVI后的立体织物放入浸渍罐中进行硅溶胶真空浸渍处理，浸渍罐内气压抽至10^-1Pa时通入硅溶胶，待淹没立体织物后，停止通入硅溶胶，增加浸渍罐内部压力至3MPa，保压20min；

（5）取出后，放置在烘箱中在100℃热处理1~2h；

（6）然后放入高温炉中，抽至真空状态，升温至1500℃，惰性气氛下纳米氧化硅粉末与热解碳氧化还原反应，反应时间3h，随炉冷却至室温取出；

（7）重复（1）~（6）步骤5次，最终得到立体织物增强碳化硅-金刚石复合材料。

实施例2

.纤维预处理

（1）将碳纤维或碳化硅纤维束进行预处理，在真空或惰性气体中，放入高温炉中升温至1200℃，保温1h，随炉冷却降温至室温取出备用；

（2）将碳纤维或碳化硅纤维束编织成中空中心轴堆成的立体织物；

ii.电泳悬浮液配制

（1）将粒径为20um的金刚石粉末、无水乙醇、金属盐化物混合配制成电泳悬浮液，金刚石溶度为10g/L；

iii.后处理

（1）将立体织物放入电泳悬浮液中，两个正极电极分别置于立体织物的内围与外围，与立体织物表面间距为0.5cm，负极接立体织物，插入超声振动棒，电泳沉积5min，电极材料可以选择紫铜，不锈钢，镍，钛、铂其中一种单独使用或是混合使用；

（2）取出后，放置在烘箱中在100℃热处理0.5h；

（3）然后将立体织物放入高温炉中，真空状态下进行碳的化学气相渗透（CVI）处理，渗透时间为20h；

（4）对CVI后的立体织物放入浸渍罐中进行硅溶胶真空浸渍处理，浸渍罐内气压抽至10^-1Pa时通入硅溶胶，待淹没立体织物后，停止通入硅溶胶，增加浸渍罐内部压力至5MPa，保压30min；

（5）取出后，放置在烘箱中在80℃热处理2h；

（6）然后放入高温炉中，抽至真空状态，升温至1600℃，惰性气氛下纳米氧化硅粉末与热解碳氧化还原反应，反应时间5h，随炉冷却至室温取出；

（7）重复（1）~（6）步骤3次，最终得到立体织物增强碳化硅-金刚石复合材料。

上述仅为本发明的两个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种立体织物增强碳化硅-金刚石复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下顺序制备步骤：

i.纤维预处理

（1）将碳纤维或碳化硅纤维束进行预处理，在真空或惰性气体中，放入高温炉中升温至800~1200℃，保温1~2h，随炉冷却降温至室温取出备用；

（2）将碳纤维或碳化硅纤维束编织成中空中心轴堆成的立体织物；

ii.电泳悬浮液配制

（1）将粒径为0.5~20um的金刚石粉末、无水乙醇、金属盐化物混合配制成电泳悬浮液，金刚石溶度为10~20g/L；

iii.后处理

（1）将立体织物放入电泳悬浮液中，两个正极电极分别置于立体织物的内围与外围，与立体织物表面间距为0.5~2cm，负极接立体织物，插入超声振动棒，电泳沉积1~5min，电极材料可以选择紫铜，不锈钢，镍，钛、铂其中一种单独使用或是混合使用；

（2）取出后，放置在烘箱中在80~120℃热处理0.5~1h；

（3）然后将立体织物放入高温炉中，真空状态下进行碳的化学气相渗透（CVI）处理，渗透时间为10~20h；

（4）对CVI后的立体织物放入浸渍罐中进行硅溶胶真空浸渍处理，浸渍罐内气压抽至10^-1~10Pa时通入硅溶胶，待淹没立体织物后，停止通入硅溶胶，增加浸渍罐内部压力至2~5MPa，保压15~30min；

（5）取出后，放置在烘箱中在80~120℃热处理1~2h；

（6）然后放入高温炉中，抽至真空状态，升温至1400~1600℃，惰性气氛下纳米氧化硅粉末与热解碳氧化还原反应，反应时间1~5h，随炉冷却至室温取出；

（7）重复（1）~（6）步骤3~5次，最终得到立体织物增强碳化硅-金刚石复合材料。