CN110357647A - 一种碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳化硅纳米线增强体及其制备方法，一种碳化硅纳米线增强体包括碳化硅纳米线增强体、氮化硼陶瓷涂层和陶瓷基体，所述氮化硼陶瓷涂层覆盖于碳化硅纳米线增强体上，覆盖有氮化硼陶瓷涂层的碳化硅纳米线增强体，分布于所述陶瓷基体中。本发明所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料兼具耐高温抗氧化和高韧性的性能。

Description

一种碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷基复合材料技术领域，尤其涉及一种碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料及其制备方法。
背景技术
陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优异特性，但是陶瓷材料同时也存在脆性大、易断裂、韧性不足等缺点，限制了其实际应用范围，因此改善陶瓷材料的脆性、增大强度成为其能否广泛应用的关键。
陶瓷材料的韧性可以通过晶须或纳米线增韧。但是晶须或纳米线增韧陶瓷基复合材料，容易导致晶须或纳米线损伤，容易降低晶须或纳米线的力学性能。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料及其制备方法，碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料具有耐高温抗氧化和高韧性的性能。
为实现本发明的目的，本发明一方面提供了一种碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料，包括：碳化硅纳米线增强体、氮化硼陶瓷涂层和陶瓷基体，所述氮化硼陶瓷涂层覆盖于碳化硅纳米线增强体上，覆盖有氮化硼陶瓷涂层的碳化硅纳米线增强体，分布于所述陶瓷基体中。
优选地，所述碳化硅纳米线增强体占据所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料的体积率为3％～30％。
优选地，所述碳化硅纳米线增强体包含碳化硅纳米线，所述碳化硅纳米线的直径为20～100nm、长度为0.1～20mm。
优选地，所述碳化硅纳米线的直径为20～30nm、长度为5～10mm。
优选地，所述氮化硼陶瓷涂层的结构为片层状结构，所述氮化硼陶瓷涂层的厚度为5～100nm。
优选地，所述氮化硼陶瓷涂层的厚度为20～50nm。
本发明另一方面提供了所述的碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
制备碳化硅纳米线增强体；
在碳化硅纳米线增强体的表面覆盖氮化硼陶瓷涂层；
将覆盖有氮化硼陶瓷涂层的碳化硅纳米线增强体，分布于陶瓷基体中，得到一种碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料。
优选地，所述在碳化硅纳米线增强体的表面覆盖氮化硼陶瓷涂层包括，所述碳化硅纳米线增强体浸泡在硼酸溶液中，浸泡后烘干、脱水处理，通入氨气反应，在碳化硅纳米线增强体的表面生成氮化硼陶瓷涂层。
优选地，所述碳化硅纳米线增强体包含碳化硅纳米线，所述碳化硅纳米线的直径为20～100nm、长度为0.1～20mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明所述氮化硼陶瓷涂层覆盖于碳化硅纳米线增强体的表面上，碳化硅纳米线增强体，分布于所述陶瓷基体中。所述氮化硼陶瓷涂层在碳化硅纳米线增强体和陶瓷基体之间，形成弱界面层，碳化硅纳米线增强体和陶瓷基体吸附主要为物理吸附力，即分子间的作用力，改善碳化硅纳米线增强体和陶瓷基体之间的结合强度，使结合强度为弱结合，所述氮化硼陶瓷涂层能够吸收大量断裂能量，增强碳化硅纳米线增强体的力学性能，增强了本发明所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料的韧性，不易断裂。且本发明实施例所述氮化硼陶瓷涂层具有优异的抗氧化性，所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料在高温有氧环境中可以稳定使用，具有优异的抗氧化性。因此，本发明实施例碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料，具有优异的耐高温抗氧化性和强韧性。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一方面，本发明实施例提供了一种碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料，包括：碳化硅纳米线增强体、氮化硼陶瓷涂层和陶瓷基体，所述氮化硼陶瓷涂层覆盖于碳化硅纳米线增强体上，覆盖有氮化硼陶瓷涂层的碳化硅纳米线增强体，分布于所述陶瓷基体中。
本发明实施例所述氮化硼陶瓷涂层覆盖于碳化硅纳米线增强体的表面上，碳化硅纳米线增强体，分布于所述陶瓷基体中。所述氮化硼陶瓷涂层在碳化硅纳米线增强体和陶瓷基体之间，形成弱界面层，碳化硅纳米线增强体和陶瓷基体吸附主要为物理吸附力，即分子间的作用力，改善碳化硅纳米线增强体和陶瓷基体之间的结合强度，使结合强度为弱结合，所述氮化硼陶瓷涂层能够吸收大量断裂能量，增强碳化硅纳米线增强体的力学性能，增强了本发明所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料的韧性，不易断裂。且本发明实施例所述氮化硼陶瓷涂层具有优异的抗氧化性，所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料在高温有氧环境中可以稳定使用，具有优异的抗氧化性。因此，本发明实施例碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料，具有优异的耐高温抗氧化性和强韧性。
为改善本发明实施例所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料的韧性强度的大小，可通过调节碳化硅纳米线增强体的体积占比。本发明一实施例中，所述碳化硅纳米线增强体的体积占据所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料的体积率为3％～30％。本发明实施方式所述碳化硅纳米线增强体在所述陶瓷基体中可随机分布，所述碳化硅纳米线增强体的形态可以为直线状和/或弯曲状。
优选地，所述碳化硅纳米线增强体的体积占据所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料的体积率为5％、6％、7％、8％、10％、12％、15％、20％或25％。
为进一步改善本发明实施例所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料的韧性强度的大小，可以通过调整碳化硅纳米线增强体中纳米线的长度和直径。本发明一实施例中，所述碳化硅纳米线增强体包含碳化硅纳米线，所述碳化硅纳米线的直径为20～100nm、长度为0.1～20mm。本发明所述碳化硅纳米线增强体的长度为0.1～20mm；对陶瓷基体连续增韧范围长，可以对陶瓷基体进行有效增韧。本发明所述的碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料的抗弯强度相比于现有碳化硅陶瓷的抗弯强度可提高50％以上。优选地，所述的碳化硅纳米线增强体的直径为20～30nm、长度为5～10mm。
本发明一实施例中，所述氮化硼陶瓷涂层的结构为片层状结构，所述氮化硼陶瓷涂层的厚度为5～100nm。调节所述氮化硼陶瓷涂层的结构和结构尺寸，氮化硼陶瓷涂层的厚度，防止空气渗入，提高抗氧化性；本发明实施例所述氮化硼陶瓷涂层的耐高温、抗氧化的性能优良，本发明所述的碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料可在1600℃以下的工作环境中正常工作。优选地，所述氮化硼陶瓷涂层的厚度为20～50nm。优选地，所述氮化硼陶瓷涂层的厚度为30nm、35nm、40nm或45nm。
本发明实施例所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料的的耐高温抗氧化性能，可以进一步通过调节所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料的孔隙率。所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料的孔隙率为1％～5％。进一步提高所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料耐高温抗氧化性。
上述各实施例中所述碳化硅为碳化硅，氮化硼为氮化硼；本发明所述陶瓷基体为碳化硅基体、碳化锆基体、氮化硅基体、氮化铝基体、氧化铝基体或氧化硅基体一种或两种以上，两种以上的陶瓷基体可以以任一比例组成。
上述各实施例中所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料，可以由以下步骤制备得到：在碳化硅纳米线增强体的表面覆盖氮化硼陶瓷涂层；
将覆盖有氮化硼陶瓷涂层的碳化硅纳米线增强体，分布于陶瓷基体中，得到一种碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料。
优选地，本发明所述在碳化硅纳米线增强体的表面覆盖氮化硼陶瓷涂层，可采用化学气相沉积方法或氨气与氧化硼的气相反应，将氮化硼陶瓷涂层沉积于碳化硅纳米线的表面。
优选地，所述在碳化硅纳米线增强体的表面覆盖氮化硼陶瓷涂层包括，所述碳化硅纳米线增强体浸泡在硼酸溶液中，浸泡后烘干、脱水处理，通入氨气反应，在碳化硅纳米线增强体的表面生成氮化硼陶瓷涂层。
作为本发明的一实施例，一种所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S101聚碳硅烷在真空度为50Pa～100Pa，温度为1300℃，高温分解，以孔隙率为80～99％的多孔碳泡沫作为吸收器，所述聚碳硅烷高温分解得到的中间产物在多孔碳泡沫内沉积，形成碳化硅纳米线，所述碳化硅纳米线为块状泡沫，块状泡沫中包含碳泡沫；所述多孔碳泡沫具有超高比表面积和大量空洞，在形成碳化硅纳米线时，多孔碳泡沫有助于形成更长的碳化硅纳米线；
S102所述碳化硅纳米线在空气中600℃下氧化，将所述碳化硅纳米线中的碳泡沫去除，得到碳化硅纳米线增强体；
S103将步骤S102得到的碳化硅纳米线增强体浸泡在溶度为40％的硼酸溶液中，浸泡的时间为10min浸泡后烘干；所述硼酸溶液的溶剂为乙醇；
S104所述步骤103重复3～5次；
S105将所述步骤S104处理后的碳化硅纳米线增强体放入真空炉内，在温度为400℃下，进行真空脱水处理，所述步骤S104处理后的碳化硅纳米线增强体的表面上制得氧化硼涂层；在800℃-1000℃下通入氨气，氨气的流量为300mL/min、通入氨气的时间为2h，得到覆盖氮化硼陶瓷涂层的碳化硅纳米线增强体；
S106所述覆盖氮化硼陶瓷涂层的碳化硅纳米线增强体，采用化学气相渗透法，结合于陶瓷基体中，得到一种所述碳化硅纳米线增强体的陶瓷基复合材料。
相应地，本发明实施例还提供了一种所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：制备碳化硅纳米线增强体；
在碳化硅纳米线增强体的表面覆盖氮化硼陶瓷涂层；
覆盖有氮化硼陶瓷涂层的碳化硅纳米线增强体，分布于陶瓷基体中，得到一种碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料。
本发明实施例，所述在碳化硅纳米线增强体的表面覆盖氮化硼陶瓷涂层，可采用化学气相沉积方法或氨气与氧化硼的气相反应，将氮化硼陶瓷涂层沉积于碳化硅纳米线的表面。优选地，所述在碳化硅纳米线增强体的表面覆盖氮化硼陶瓷涂层包括，所述碳化硅纳米线增强体浸泡在硼酸溶液中，浸泡后烘干、脱水处理，通入氨气反应，在碳化硅纳米线增强体的表面生成氮化硼陶瓷涂层。
本发明实施例制备的碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料，所述碳化硅纳米线增强体的直径为20～100nm、长度为0.1～20mm。
本发明实施例所制备的碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料，所述氮化硼陶瓷涂层覆盖于碳化硅纳米线增强体的表面上，碳化硅纳米线增强体，分布于所述陶瓷基体中。所述氮化硼陶瓷涂层在碳化硅纳米线增强体和陶瓷基体之间，形成弱界面层，碳化硅纳米线增强体和陶瓷基体吸附主要为物理吸附力，即分子间的作用力，改善碳化硅纳米线增强体和陶瓷基体之间的结合强度，使结合强度为弱结合，所述氮化硼陶瓷涂层能够吸收大量断裂能量，增强碳化硅纳米线增强体的力学性能，增强了本发明所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料的韧性，不易断裂。且本发明实施例所述氮化硼陶瓷涂层具有优异的抗氧化性，所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料在高温有氧环境中可以稳定使用，具有优异的抗氧化性。因此，本发明实施例碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料，具有优异的耐高温抗氧化性和强韧性。
作为本发明的一实施例，一种所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S201聚碳硅烷在真空度为50Pa～100Pa，温度为1300℃，高温分解，以孔隙率为80～99％的多孔碳泡沫作为吸收器，所述聚碳硅烷高温分解得到的中间产物在多孔碳泡沫内沉积，形成碳化硅纳米线，所述碳化硅纳米线为块状泡沫，块状泡沫中包含碳泡沫；所述多孔碳泡沫具有超高比表面积和大量空洞，在形成碳化硅纳米线时，多孔碳泡沫有助于形成更长的碳化硅纳米线；
S202所述碳化硅纳米线在空气中600℃下氧化，将所述碳化硅纳米线中的碳泡沫去除，得到碳化硅纳米线增强体；
S203将步骤S202得到的碳化硅纳米线增强体浸泡在溶度为40％的硼酸溶液中，浸泡的时间为10min浸泡后烘干；所述硼酸溶液的溶剂为乙醇；
S204所述步骤103重复3～5次；
S205将所述步骤S204处理后的碳化硅纳米线增强体放入真空炉内，在温度为400℃下，进行真空脱水处理，所述步骤S204处理后的碳化硅纳米线增强体的表面上制得氧化硼涂层；在800℃-1000℃下通入氨气，氨气的流量为300mL/min、通入氨气的时间为2h，得到覆盖氮化硼陶瓷涂层的碳化硅纳米线增强体；
S206所述覆盖氮化硼陶瓷涂层的碳化硅纳米线增强体，采用化学气相渗透法，结合于陶瓷基体中，得到一种所述碳化硅纳米线增强体的陶瓷基复合材料。
上述实施例中，所述碳化硅为碳化硅，氮化硼为氮化硼；本发明所述陶瓷基体为碳化硅基体、碳化锆基体、氮化硅基体、氮化铝基体、氧化铝基体或氧化硅基体一种或两种以上。两种以上的陶瓷基体可以以任一比例组成。
以上所述仅为本发明的较佳而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料，其特征在于，包括：
碳化硅纳米线增强体、氮化硼陶瓷涂层和陶瓷基体，所述氮化硼陶瓷涂层覆盖于碳化硅纳米线增强体上，覆盖有氮化硼陶瓷涂层的碳化硅纳米线增强体，分布于所述陶瓷基体中。
2.根据权利要求1所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料，其特征在于，所述碳化硅纳米线增强体占据所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料的体积率为3％～30％。
3.根据权利要求1所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料，其特征在于，所述碳化硅纳米线增强体包含碳化硅纳米线，所述碳化硅纳米线的直径为20～100nm、长度为0.1～20mm。
4.根据权利要求3所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料，其特征在于，所述碳化硅纳米线的直径为20～30nm、长度为5～10mm。
5.根据权利要求1所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料，其特征在于，所述氮化硼陶瓷涂层的结构为片层状结构，所述氮化硼陶瓷涂层的厚度为5～100nm。
6.根据权利要求5所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料，其特征在于，所述氮化硼陶瓷涂层的厚度为20～50nm。
7.根据权利要求1—6任一权利要求所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料，其特征在于，所述碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料的孔隙率为1％～5％。
8.根据权利要求1—7任一权利要求所述的碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备碳化硅纳米线增强体；
在碳化硅纳米线增强体的表面覆盖氮化硼陶瓷涂层；
将覆盖有氮化硼陶瓷涂层的碳化硅纳米线增强体，分布于陶瓷基体中，得到一种碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料。
9.根据权利要求8所述的碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，所述在碳化硅纳米线增强体的表面覆盖氮化硼陶瓷涂层包括，所述碳化硅纳米线增强体浸泡在硼酸溶液中，浸泡后烘干、脱水处理，通入氨气反应，在碳化硅纳米线增强体的表面生成氮化硼陶瓷涂层。
10.根据权利要求8所述的碳化硅纳米线增强的陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳化硅纳米线增强体包含碳化硅纳米线，所述碳化硅纳米线的直径为20～100nm、长度为0.1～20mm。
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