CN107652601B - 一种包含低损伤且定向排列的SiC纳米线的复合材料薄片的制备方法 - Google Patents
一种包含低损伤且定向排列的SiC纳米线的复合材料薄片的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种包含低损伤且定向排列的SiC纳米线的复合材料薄片的制备方法,涉及一种SiC纳米线的薄片的制备方法。本发明为解决目前层状复合材料的制备过程中SiC纳米线断裂严重、SiC纳米线因比表面积高而导致SiC纳米线极易团聚,难以在浆料中均匀分散的问题。方法:一、称料;二、SiC纳米线预分散;三、SiC纳米线低损伤球磨分散;四、除气处理;五、流延成型;六、干燥。本发明方法给出了一种制备低损伤、定向排列的SiC纳米线的薄片的方法,该方法工艺简单,SiC纳米线沿流延成型方向排列,能够解决SiC纳米线极易团聚的问题,对SiC纳米线损伤较小。本发明适用于制备SiC纳米线薄片。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料薄片的制备方法。
背景技术
SiC纳米线具有高强度、高模量、高韧性的力学性能特点,是一种良好的复合材料增强体,但是作为一种具有较大长径比的材料,SiC纳米线性能具有各向异性,当其定向排列时增强效果最好。目前实现SiC定向排列的方法主要是在具有一定变形能力的介质中,利用外加应力场或其它物理场,从而实现SiC纳米线偏转。有文献报道通过热挤压处理,并施加剪切应力,使SiC纳米线在铝基体中沿挤压方向定向排列;通过定向排列处理后得到的复合材料的抗拉强度提高了约60%。但是由于SiC纳米线比较大的长径以及与基体的塑性变形行为不匹配,在热挤压变形过程中,SiC纳米线发生了较严重的断裂,平均长度仅约为原始长度的40%,从而影响SiC纳米线的强化性能。因此在如何尽可能减少损伤的情况下,实现SiC纳米线的定向排列,是充分利用其优异力学性能的重要技术。
但是目前流延成型法主要应用于微米级陶瓷增强体。SiC纳米线作为一种纳米材料,由于其极高的比表面积,SiC纳米线极易团聚,难以在浆料中均匀分散,因此目前还没有采用流延成型法成功制备SiC纳米线薄片的文献报道。
发明内容
本发明为解决目前层状复合材料的制备过程中SiC纳米线断裂严重、SiC纳米线因比表面积高而导致SiC纳米线极易团聚,难以在浆料中均匀分散的问题,提供一种包含低损伤且定向排列的SiC纳米线的复合材料薄片的制备方法。
一种包含低损伤且定向排列的SiC纳米线的复合材料薄片的制备方法,该方法按以下步骤进行:
一、称料:
按质量份数分别称取1~15份的SiC纳米线、20~50份的溶剂、0.01~0.5份的分散剂、5~20份的增塑剂和14.5~69.99份的粘结剂作为原料;
所述SiC纳米线的纯度大于85%;SiC纳米线的平均直径为5~250nm,SiC纳米线的长度为20~100μm;
所述SiC纳米线为3C、2H、4H、6H中的一种或几种的任意比组合;
所述溶剂为无水乙醇和正丁醇按质量比(0.5~1):1的混合物;无水乙醇纯度>97%,正丁醇纯度≥99.5%;
所述分散剂为液态的鱼油;具体为液态鲱鱼鱼油,纯度>99%;
所述增塑剂为液态的磷酸三丁酯,纯度≥99%;
所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛树脂粉末,粒度为20~200目;
二、SiC纳米线预分散:
将步骤一称取的SiC纳米线、溶剂和分散剂放入球磨容器内,在超声波功率为200~400W下超声处理1~30min,得到SiC纳米线预分散浆料;所述球磨容器的体积是溶剂体积的3~20倍;
其中,采用超声波处理的目的是使SiC纳米线进行预分散,打开团簇体,有利于SiC纳米线后期的处理分散;
三、SiC纳米线低损伤球磨分散:
向盛有步骤二得到的SiC纳米线预分散浆料的球磨容器内加入步骤一称取的增塑剂和粘结剂,再加入直径为0.1~2mm球磨球,在转速为10~100r/min的条件下将浆料球磨72~120h,得到SiC纳米线均匀分布的浆料;
所述球磨球的材质为刚玉、氧化锆或不锈钢;
所述加入的直径为0.1~2mm的球磨球的总体积为球磨容器的体积的1/4~1/2;
其中,球磨的目的是使SiC纳米线在球磨作用下分散,采用小直径球磨球和低转速的工艺条件是为了降低在球磨过程中SiC纳米线的损伤;
四、除气处理:
将步骤三得到的SiC纳米线均匀分布的浆料在低压环境和温度为20~30℃的条件下静置1~5min进行除气处理;所述低压环境的气压范围为1×10-1~1×105Pa;
其中,除气处理的目的是去除球磨过程中引入浆料的气泡;
五、流延成型:
将步骤四除气处理后的浆料进行流延成型,得到流延生坯;
所述进行流延成型时刮刀高度设置为0.1~1mm,延膜带速度设置为0.1~10mm/s;
六、干燥:
将步骤五中所得的流延生坯在20~30℃的空气环境中干燥2~24h,即完成;
其中,干燥2~24h可以使流延生坯中的溶剂挥发去除;
本发明具备如下有益效果:
1、本发明方法给出了一种包含低损伤且定向排列的SiC纳米线的复合材料薄片的制备方法,该方法工艺简单,适用于大批量制备定向排列的SiC纳米线的复合材料薄片;并且本发明通过流延成型得到的SiC纳米线复合材料薄片的厚度可以在0.1mm~1mm范围内调节,复合材料薄片中SiC纳米线含量在5%~35%范围内可调,同时本发明流延成型方法还可以将SiC纳米线应用到树脂基复合材料、金属基复合材料或陶瓷基复合材料中;
2、本发明流延成型方法得到的SiC纳米线复合材料薄片中85%~97%SiC纳米线沿流延成型方向排列;因此本发明方法能够实现SiC纳米线在复合材料薄片中定向排列;
3、本发明为了防止流延成型过程中SiC纳米线发生团聚,难以在浆料中均匀分散的问题,将SiC纳米线在球磨及超声波的作用下,进行预分散,打开团簇体,能够解决SiC纳米线极易团聚的问题,在球磨过程中采用小直径球磨球和低转速的球磨工艺,降低在球磨过程中SiC纳米线的损伤;本发明流延成型方法得到的SiC纳米线的平均长度为原始SiC纳米线长度的80%~90%。
附图说明:
图1为实施例1制备得到的含有低损伤定向排列的SiC纳米线的复合材料薄片的微观组织图片。
具体实施方式:
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合理组合。
具体实施方式一:本实施方式包含低损伤且定向排列的SiC纳米线的复合材料薄片的制备方法,该方法按以下步骤进行:
一、称料:
按质量份数分别称取1~15份的SiC纳米线、20~50份的溶剂、0.01~0.5份的分散剂、5~20份的增塑剂和14.5~69.99份的粘结剂作为原料;
二、SiC纳米线预分散:
将步骤一称取的SiC纳米线、溶剂和分散剂放入球磨容器内,在超声波功率为200~400W下超声处理1~30min,得到SiC纳米线预分散浆料;所述球磨容器的体积是溶剂体积的3~20倍;
三、SiC纳米线低损伤球磨分散:
向盛有步骤二得到的SiC纳米线预分散浆料的球磨容器内加入步骤一称取的增塑剂和粘结剂,再加入直径为0.1~2mm球磨球,在转速为10~100r/min的条件下将浆料球磨72~120h,得到SiC纳米线均匀分布的浆料;
四、除气处理:
将步骤三得到的SiC纳米线均匀分布的浆料在低压环境和温度为20~30℃的条件下静置1~5min进行除气处理;
五、流延成型:
将步骤四除气处理后的浆料进行流延成型,得到流延生坯;
六、干燥:
将步骤五中所得的流延生坯在20~30℃的空气环境中干燥2~24h,即完成。
本实施方式具备如下有益效果:
1、本实施方式方法给出了一种包含低损伤且定向排列的SiC纳米线的复合材料薄片的制备方法,该方法工艺简单,适用于大批量制备定向排列的SiC纳米线的复合材料薄片;并且本实施方式通过流延成型得到的SiC纳米线复合材料薄片的厚度可以在0.1mm~1mm范围内调节,复合材料薄片中SiC纳米线含量在5%~35%范围内可调,同时本实施方式流延成型方法还可以将SiC纳米线应用到树脂基复合材料、金属基复合材料或陶瓷基复合材料中;
2、本实施方式流延成型方法得到的SiC纳米线复合材料薄片中85%~97%SiC纳米线沿流延成型方向排列;因此本实施方式方法能够实现SiC纳米线在复合材料薄片中定向排列;
3、本实施方式为了防止流延成型过程中SiC纳米线发生团聚,难以在浆料中均匀分散的问题,将SiC纳米线在球磨及超声波的作用下,进行预分散,打开团簇体,能够解决SiC纳米线极易团聚的问题,在球磨过程中采用小直径球磨球和低转速的球磨工艺,降低在球磨过程中SiC纳米线的损伤;本实施方式流延成型方法得到的SiC纳米线的平均长度为原始SiC纳米线长度的80%~90%。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一所述SiC纳米线为3C、2H、4H、6H中的一种或几种的任意比组合;SiC纳米线的平均直径为5~250nm,SiC纳米线的长度为20~100μm。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二不同的是:步骤一所述溶剂为无水乙醇和正丁醇按质量比(0.5~1):1的混合物。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是:步骤一所述分散剂为液态的鱼油。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是:步骤一所述增塑剂为液态的磷酸三丁酯。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是:步骤一所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛树脂粉末。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是:步骤三所述球磨球的材质为刚玉、氧化锆或不锈钢。其他步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是:步骤三所述加入的直径为0.1~2mm的球磨球的总体积为球磨容器的体积的1/4~1/2。其他步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是:步骤四所述低压环境的气压范围为1×10-1~1×105Pa。其他步骤和参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是:步骤五所述进行流延成型时刮刀高度设置为0.1~1mm,延膜带速度设置为0.1~10mm/s。其他步骤和参数与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一:本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是:步骤一所述SiC纳米线的纯度大于85%。其他步骤和参数与具体实施方式一至十之一相同。
具体实施方式十二:本实施方式与具体实施方式三不同的是:无水乙醇纯度>97%,正丁醇纯度≥99.5%。其他步骤和参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式十三:本实施方式与具体实施方式四不同的是:鱼油具体为液态鲱鱼鱼油,纯度>99%。其他步骤和参数与具体实施方式四相同。
具体实施方式十四:本实施方式与具体实施方式五不同的是:磷酸三丁酯的纯度≥99%。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十五:本实施方式与具体实施方式一至十四之一不同的是:步骤一所述粘结剂的粒度为20~200目。其他步骤和参数与具体实施方式一至十四之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果:
实施例1:
一种包含低损伤且定向排列的SiC纳米线的复合材料薄片的制备方法,该方法按以下步骤进行:
一、称料:
按质量份数分别称取5份的SiC纳米线、25份的溶剂、0.1份的分散剂、20份的增塑剂和49.99份的粘结剂作为原料;
所述SiC纳米线的纯度大于85%,平均直径为5nm,长度为20μm;
所述SiC纳米线为3C-SiC纳米线;
所述溶剂为无水乙醇和正丁醇按质量比1:1的混合物;无水乙醇纯度>97%,正丁醇纯度≥99.5%;
所述分散剂为液态的鱼油;具体为液态鲱鱼鱼油,纯度>99%;
所述增塑剂为液态的磷酸三丁酯,纯度≥99%;
所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛树脂粉末,粒度为100目;
二、SiC纳米线预分散:
将步骤一称取的SiC纳米线、溶剂和分散剂放入球磨容器内,在超声波功率为200W下超声处理3min,得到SiC纳米线预分散浆料;所述球磨容器的体积是溶剂体积的10倍;
其中,采用超声波处理的目的是使SiC纳米线进行预分散,打开团簇体,有利于SiC纳米线后期的处理分散;
三、SiC纳米线低损伤球磨分散:
向盛有步骤二得到的SiC纳米线预分散浆料的球磨容器内加入步骤一称取的增塑剂和粘结剂,再加入直径为1mm球磨球,在转速为10r/min的条件下将浆料球磨72h,得到SiC纳米线均匀分布的浆料;
所述球磨球的材质为刚玉;
所述加入的直径为1mm的球磨球的总体积为球磨容器的体积的1/4;
其中,球磨的目的是使SiC纳米线在球磨作用下分散,采用小直径球磨球和低转速的工艺条件是为了降低在球磨过程中SiC纳米线的损伤;
四、除气处理:
将步骤三得到的SiC纳米线均匀分布的浆料在低压环境和温度为23℃的条件下静置5min进行除气处理;所述低压环境的气压范围为1×103Pa;
其中,除气处理的目的是去除球磨过程中引入浆料的气泡;
五、流延成型:
将步骤四除气处理后的浆料进行流延成型,得到流延生坯;
所述进行流延成型时刮刀高度设置为1mm,延膜带速度设置为2mm/s;
六、干燥:
将步骤五中所得的流延生坯在23℃的空气环境中干燥8h,即完成;
其中,干燥8h可以使流延生坯中的溶剂挥发去除;
图1为实施例1制备得到的含有低损伤定向排列的SiC纳米线的复合材料薄片的微观组织图片;从图中可见,SiC纳米线均垂直于观察方向,即已沿流延成型方向定向排列。
本实施例成型方法得到的SiC纳米线复合材料薄片中95%SiC纳米线沿流延成型方向排列;因此本实施例能够解决SiC纳米线极易团聚的问题,得到的复合材料薄片中SiC纳米线的平均长度为原始SiC纳米线长度的80%。
实施例2:
一种包含低损伤且定向排列的SiC纳米线的复合材料薄片的制备方法,该方法按以下步骤进行:
一、称料:
按质量份数分别称取20份的SiC纳米线、30份的溶剂、0.5份的分散剂、10份的增塑剂和39.5份的粘结剂作为原料;
所述SiC纳米线的纯度为90%,平均直径为250nm,长度为100μm;
所述SiC纳米线为6H-SiC纳米线;
所述溶剂为无水乙醇和正丁醇按质量比0.5:1的混合物;无水乙醇纯度为98.3%,正丁醇纯度为99.7%;
所述分散剂为液态的鱼油;具体为液态鲱鱼鱼油,纯度为99.5%;
所述增塑剂为液态的磷酸三丁酯,纯度为99.5%;
所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛树脂粉末,粒度为150目;
二、SiC纳米线预分散:
将步骤一称取的SiC纳米线、溶剂和分散剂放入球磨容器内,在超声波功率为390W下超声处理28min,得到SiC纳米线预分散浆料;所述球磨容器的体积是溶剂体积的17倍;
其中,采用超声波处理的目的是使SiC纳米线进行预分散,打开团簇体,有利于SiC纳米线后期的处理分散;
三、SiC纳米线低损伤球磨分散:
向盛有步骤二得到的SiC纳米线预分散浆料的球磨容器内加入步骤一称取的增塑剂和粘结剂,再加入直径为0.1mm球磨球,在转速为90r/min的条件下将浆料球磨84h,得到SiC纳米线均匀分布的浆料;
所述球磨球的材质为氧化锆;
所述加入的直径为1mm的球磨球的总体积为球磨容器的体积的1/4;
其中,球磨的目的是使SiC纳米线在球磨作用下分散,采用小直径球磨球和低转速的工艺条件是为了降低在球磨过程中SiC纳米线的损伤;
四、除气处理:
将步骤三得到的SiC纳米线均匀分布的浆料在低压环境和温度为28℃的条件下静置1min进行除气处理;所述低压环境的气压范围为1×10-1Pa;
其中,除气处理的目的是去除球磨过程中引入浆料的气泡;
五、流延成型:
将步骤四除气处理后的浆料进行流延成型,得到流延生坯;
所述进行流延成型时刮刀高度设置为0.2mm,延膜带速度设置为8mm/s;
六、干燥:
将步骤五中所得的流延生坯在28℃的空气环境中干燥4h,即完成;
其中,干燥4h可以使流延生坯中的溶剂挥发去除;
图1为实施例1制备得到的含有低损伤定向排列的SiC纳米线的复合材料薄片的微观组织图片;从图中可见,SiC纳米线均垂直于观察方向,即已沿流延成型方向定向排列。
本实施例具备如下有益效果:
本实施例流延成型方法得到的SiC纳米线复合材料薄片中90%SiC纳米线沿流延成型方向排列;因此本实施例能够解决SiC纳米线极易团聚的问题,得到的复合材料薄片中SiC纳米线的平均长度为原始SiC纳米线长度的90%。
实施例3:
一种包含低损伤且定向排列的SiC纳米线的复合材料薄片的制备方法,该方法按以下步骤进行:
一、称料:
按质量份数分别称取2份的SiC纳米线、45份的溶剂、0..02份的分散剂、5份的增塑剂和47.98份的粘结剂作为原料;
所述SiC纳米线的纯度为93%,平均直径为120nm,长度为90μm;
所述SiC纳米线为4H-SiC纳米线和6H-SiC纳米线的混合物;混合物中4H-SiC纳米线的质量分数为62%;
所述溶剂为无水乙醇和正丁醇按质量比0.8:1的混合物;无水乙醇纯度为99.2%,正丁醇纯度为99.5%;
所述分散剂为液态的鱼油;具体为液态鲱鱼鱼油,纯度为99.5%;
所述增塑剂为液态的磷酸三丁酯,纯度为99.5%;
所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛树脂粉末,粒度为30目;
二、SiC纳米线预分散:
将步骤一称取的SiC纳米线、溶剂和分散剂放入球磨容器内,在超声波功率为300W下超声处理15min,得到SiC纳米线预分散浆料;所述球磨容器的体积是溶剂体积的3倍;
其中,采用超声波处理的目的是使SiC纳米线进行预分散,打开团簇体,有利于SiC纳米线后期的处理分散;
三、SiC纳米线低损伤球磨分散:
向盛有步骤二得到的SiC纳米线预分散浆料的球磨容器内加入步骤一称取的增塑剂和粘结剂,再加入直径为2mm球磨球,在转速为100r/min的条件下将浆料球磨120h,得到SiC纳米线均匀分布的浆料;
所述球磨球的材质为不锈钢;
所述加入的直径为1mm的球磨球的总体积为球磨容器的体积的1/3;
其中,球磨的目的是使SiC纳米线在球磨作用下分散,采用小直径球磨球和低转速的工艺条件是为了降低在球磨过程中SiC纳米线的损伤;
四、除气处理:
将步骤三得到的SiC纳米线均匀分布的浆料在低压环境和温度为25℃的条件下静置1min进行除气处理;所述低压环境的气压范围为1×104Pa;
其中,除气处理的目的是去除球磨过程中引入浆料的气泡;
五、流延成型:
将步骤四除气处理后的浆料进行流延成型,得到流延生坯;
所述进行流延成型时刮刀高度设置为0.5mm,延膜带速度设置为10mm/s;
六、干燥:
将步骤五中所得的流延生坯在25℃的空气环境中干燥24h,即完成;
其中,干燥24h可以使流延生坯中的溶剂挥发去除;
本实施例具备如下有益效果:
本实施例流延成型方法得到的SiC纳米线复合材料薄片中85%SiC纳米线沿流延成型方向排列;因此本实施例能够解决SiC纳米线极易团聚的问题,得到的复合材料薄片中SiC纳米线的平均长度为原始SiC纳米线长度的90%。
Claims (4)
1.一种包含低损伤且定向排列的SiC纳米线的复合材料薄片的制备方法,其特征在于:该方法按以下步骤进行;
一、称料:
按质量份数分别称取1~15份的SiC纳米线、20~50份的溶剂、0.01~0.5份的分散剂、5~20份的增塑剂和14.5~69.99份的粘结剂作为原料;
所述SiC纳米线为3C、2H、4H、6H中的一种或几种的任意比组合,SiC纳米线的平均直径为5~250nm,SiC纳米线的长度为20~100μm;
所述溶剂为无水乙醇和正丁醇按质量比(0.5~1):1的混合物;
所述分散剂为液态的鱼油;
所述增塑剂为液态的磷酸三丁酯;
所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛树脂粉末;
二、SiC纳米线预分散:
将步骤一称取的SiC纳米线、溶剂和分散剂放入球磨容器内,在超声波功率为200~400W下超声处理1~30min,得到SiC纳米线预分散浆料;所述球磨容器的体积是溶剂体积的3~20倍;
三、SiC纳米线低损伤球磨分散:
向盛有步骤二得到的SiC纳米线预分散浆料的球磨容器内加入步骤一称取的增塑剂和粘结剂,再加入直径为0.1~2mm球磨球,在转速为10~100r/min的条件下将浆料球磨72~120h,得到SiC纳米线均匀分布的浆料;
所述加入的直径为0.1~2mm的球磨球的总体积为球磨容器的体积的1/4~1/2;
四、除气处理:
将步骤三得到的SiC纳米线均匀分布的浆料在低压环境和温度为20~30℃的条件下静置1~5min进行除气处理;
五、流延成型:
将步骤四除气处理后的浆料进行流延成型,得到流延生坯;
六、干燥:
将步骤五中所得的流延生坯在20~30℃的空气环境中干燥2~24h,得到的SiC纳米线的平均长度为原始SiC纳米线长度的80%~90%,即完成。
2.根据权利要求1所述包含低损伤且定向排列的SiC纳米线的复合材料薄片的制备方法,其特征在于:步骤三所述球磨球的材质为刚玉、氧化锆或不锈钢。
3.根据权利要求1所述包含低损伤且定向排列的SiC纳米线的复合材料薄片的制备方法,其特征在于:步骤四所述低压环境的气压范围为1×10~1~1×105Pa。
4.根据权利要求3所述包含低损伤且定向排列的SiC纳米线的复合材料薄片的制备方法,其特征在于:步骤五所述进行流延成型时刮刀高度设置为0.1~1mm,延膜带速度设置为0.1~10mm/s。
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