CN115559108A - 一种高耐磨性、高强度纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高耐磨性、高强度纤维复合材料及其制备方法，先在碳纤维表面沉积氧化锆，得到表面处理碳纤维，接着将表面处理碳纤维与三氯化硼、六甲基二氮硅烷混合，得到改性碳纤维；然后将改性碳纤维与氮化硅纤维、石英纤维通过正交三向编织工艺编织成编织物，再采用化学气相沉积法在编织物表面生长碳纳米管，得到改性编织物；最后将改性编织物利用环硼氮烷浸渍处理，固化，烧结，即得。本发明所得复合材料具有优异的耐磨性和机械强度，满足精密设备的加工使用需求，可用于航空航天等高精尖领域。

Description

一种高耐磨性、高强度纤维复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种高耐磨性、高强度纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀等优点，在建筑卫生、手机制造、数字处理、汽车制造、航空航天等领域具有广泛应用。但是，陶瓷材料脆性很差，严重制约了其应用。纤维是一种常见的陶瓷增强材料，人们尝试采用短切纤维分散于粉体中、纤维单向排列和纤维正交排列的方式，然后与石英粉体在氮气气氛下热压烧结的方法获得纤维复合材料，大大改善了产品的脆性，但是，其耐磨性和机械强度仍然无法满足航空航天等高精尖领域的高品质要求。
专利申请CN115160004A公开了一种自增韧纤维结构陶瓷的制备方法，包含以下步骤：(1)陶瓷纤维胞体的制备：将纳米细晶陶瓷粉、胶黏剂加入到水溶液中形成陶瓷浆料，通过挤制的方法形成陶瓷纤维胞体；(2)界面分隔层的制备：将微米细晶陶瓷粉分散于聚乙二醇、胶黏剂的水溶液得到界面分隔层浆料，将步骤(1)所得陶瓷纤维胞体浸入所得界面分隔层浆料中，附着界面分隔层，干燥；(3)坯体成型：将步骤(2)所得干燥后含有界面分隔层的陶瓷纤维胞体在钢模具中按一维定向排布，然后加压成型，保压脱模后得到自增韧纤维结构陶瓷的坯体；(4)排胶与烧结：将所得坯体在480-600℃氮气环境下，保温排胶，然后在450-550℃空气条件下保温去除剩下的碳化物，而后采用放电等离子烧结法烧结5-10min，压力为25-30MPa，冷却脱模。该专利技术通过陶瓷纤维胞体实现产品增韧，力学性能仍有较大的提升空间，对于产品耐磨性也几乎没什么改善。
专利申请CN115124360A公开了一种碳纤维增韧陶瓷材料及其制备方法，将二硼化锆、碳化硅和陶瓷先驱体进行混匀，得到第一陶瓷浆料；将包括二硼化锆和碳化硅的固相组分和无水乙醇进行混匀，得到第二陶瓷浆料；将第一陶瓷浆料刷涂在展纱后的碳纤维无纬布上，并进行交联固化处理，得到预制碳纤维陶瓷复合层；采用第二陶瓷浆料对预制碳纤维陶瓷复合层进行挂浆处理，得到碳纤维陶瓷复合层；将预设层数的碳纤维陶瓷复合层按照预设角度以顺时针或逆时针的方向进行顺次水平叠放，得到具有螺旋结构的碳纤维陶瓷坯体；对碳纤维陶瓷坯体进行裂解和热压烧结，得到碳纤维增韧陶瓷材料。该专利技术大大提高了产品的韧性，但是耐磨性仍有很大的提升空间，并且，碳纤维陶瓷复合层需要按照预设角度进行顺次水平叠放，工艺可控性差，影响产品性能控制。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种高耐磨性、高强度纤维复合材料及其制备方法，具有优异的耐磨性和机械强度，可用于航空航天等高精尖领域。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高耐磨性、高强度纤维复合材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)先在碳纤维表面沉积氧化锆，得到表面处理碳纤维，接着将表面处理碳纤维与三氯化硼、六甲基二氮硅烷混合，得到改性碳纤维；
(2)然后将改性碳纤维与氮化硅纤维、石英纤维通过正交三向编织工艺编织成编织物，再采用化学气相沉积法在编织物表面生长碳纳米管，得到改性编织物；
(3)最后将改性编织物利用环硼氮烷浸渍处理，固化，烧结，即得所述的复合材料。
优选的，步骤(1)中，表面处理碳纤维的制备方法如下：先以碳纤维为基材，四氯化锆作为前驱体，以二氧化碳和氢气为反应气体，氩气为稀释气体，利用化学气相沉积法在基材表面沉积氧化锆，即得。
进一步优选的，二氧化碳的流量为0.1～0.2m3/h，氢气的流量为0.1～0.2m3/h，氩气的流量为0.1～0.2m3/h，沉积温度为1000～1100℃，沉积压力为1～2kPa，沉积时间为10～12小时，翻面后继续沉积10～12小时即可。
优选的，步骤(1)中，改性碳纤维的制备方法如下：将表面处理碳纤维利用3-氨基丙基三乙氧基硅烷进行氨基修饰，得到氨基修饰碳纤维，接着将氨基修饰碳纤维与三氯化硼、六甲基二氮硅烷混合均匀，在氮气气氛下，加热至80～90℃，保温2～3小时，继续升温至160～180℃，保温2～3小时，在氮气气氛下升温至1200～1300℃，保温30～40分钟，自然冷却至室温，即得。
进一步优选的，氨基修饰碳纤维与三氯化硼、六甲基二氮硅烷的质量比为1：1～2：6～8。
进一步优选的，氨基修饰的具体方法为：先将表面处理碳纤维和3-氨基丙基三乙氧基硅烷加入无水乙醇中，60～65℃搅拌处理10～12小时，离心取沉淀即可；其中，表面处理碳纤维、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、无水乙醇的质量比为1：3～5：100。
优选的，步骤(2)中，编织的具体方法为：改性碳纤维位于空间直角坐标系的X轴方向，氮化硅纤维在X、Y轴平面上与改性碳纤维成60°夹角交叉重叠，石英纤维在Z轴方向将改性碳纤维与氮化硅纤维固定为一体。
优选的，步骤(2)中，改性碳纤维、氮化硅纤维、石英纤维的质量比为40～50：25～35：30～35。
优选的，步骤(2)中，改性编织物的制备方法如下：先将编织物利用硝酸镍-硝酸钴水溶液进行浸渍处理，烘干，转移至管式炉中，在氩气气氛下，以15～25℃/min加热至700～800℃，通入乙炔，保温反应10～15分钟，停止加热，持续通氩气直至自然冷却至室温即可。
进一步优选的，编织物与硝酸镍-硝酸钴水溶液的质量比为1：7～9；硝酸镍-硝酸钴水溶液中包含：硝酸镍0.5～0.7mol/L，硝酸钴1～1.2mol/L。
进一步优选的，浸渍处理的工艺条件为：300～500W超声波振荡40～50分钟。
进一步优选的，乙炔的通入流量为0.2～0.3m3/h，停止加热后氩气的通入流量为0.1～0.2m3/h。
优选的，步骤(3)中，改性编织物与环硼氮烷的质量比为1：7～9；浸渍处理的工艺条件为：300～500W超声波振荡80～100分钟。
优选的，步骤(3)中，固化的工艺条件为：在80～100℃和8～10MPa条件下处理40～50小时。
优选的，步骤(3)中，烧结的工艺条件为：1300～1400℃烧结3～4小时。
一种高耐磨性、高强度纤维复合材料，是利用上述制备方法得到的。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明先在碳纤维表面沉积氧化锆，得到表面处理碳纤维，接着将表面处理碳纤维与三氯化硼、六甲基二氮硅烷混合，得到改性碳纤维；然后将改性碳纤维与氮化硅纤维、石英纤维通过正交三向编织工艺编织成编织物，再采用化学气相沉积法在编织物表面生长碳纳米管，得到改性编织物；最后将改性编织物利用环硼氮烷浸渍处理，固化，烧结，即得所述的复合材料。本发明所得复合材料具有优异的耐磨性和机械强度，满足精密设备的加工使用需求，可用于航空航天等高精尖领域。
本发明以改性碳纤维与氮化硅纤维、石英纤维通过正交三向编织工艺编织成的编织物作为骨架结构，保证了产品具有良好的机械强度，并改善产品的耐磨性。其中，改性碳纤维是先在碳纤维表面沉积氧化锆，得到表面处理碳纤维，接着将表面处理碳纤维与三氯化硼、六甲基二氮硅烷混合而得。改性碳纤维表面沉积氧化锆后，两者协同作用，进一步改善产品的机械强度和耐磨性，表面处理碳纤维与三氯化硼、六甲基二氮硅烷混合反应使得表面处理碳纤维表面生成硅硼碳氮陶瓷，大大改善了碳纤维与后续陶瓷结构的相容性，保证产品具有良好的机械强度和耐磨性。改性碳纤维与氮化硅纤维、石英纤维通过正交三向编织工艺编织，进一步改善产品的机械强度和耐磨性。
采用化学气相沉积法在编织物表面生长碳纳米管，得到改性编织物。碳纳米管的生成对编织物实现了枝化修饰，主体结构与枝化结构协同作用，大大改善了产品的机械强度和耐磨性。
本发明将改性编织物利用环硼氮烷浸渍处理，固化，烧结，实现了纤维与陶瓷的复合，所得产品具有优异的机械强度和耐磨性。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如无特殊说明外，本发明中所有商品均通过市场渠道购买。
实施例1
一种高耐磨性、高强度纤维复合材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)先以碳纤维为基材，四氯化锆作为前驱体，以二氧化碳和氢气为反应气体，氩气为稀释气体，利用化学气相沉积法在基材表面沉积氧化锆，得到表面处理碳纤维，接着将表面处理碳纤维与三氯化硼、六甲基二氮硅烷混合，得到改性碳纤维；
(2)然后将改性碳纤维与氮化硅纤维、石英纤维以质量比40：25：30通过正交三向编织工艺编织成编织物，再采用化学气相沉积法在编织物表面生长碳纳米管，得到改性编织物；
(3)最后将改性编织物利用其7倍重量的环硼氮烷浸渍处理，在80℃和8MPa条件下处理40小时实现固化，1300℃烧结3小时，即得所述的复合材料。
步骤(1)中，二氧化碳的流量为0.1m3/h，氢气的流量为0.1m3/h，氩气的流量为0.1m3/h，沉积温度为1000℃，沉积压力为1kPa，沉积时间为10小时，翻面后继续沉积10小时即可。
步骤(1)中，改性碳纤维的制备方法如下：将表面处理碳纤维利用3-氨基丙基三乙氧基硅烷进行氨基修饰，得到氨基修饰碳纤维，接着将1kg氨基修饰碳纤维与1kg三氯化硼、6kg六甲基二氮硅烷混合均匀，在氮气气氛下，加热至80℃，保温2小时，继续升温至160℃，保温2小时，在氮气气氛下升温至1200℃，保温30分钟，自然冷却至室温，即得。
氨基修饰的具体方法为：先将表面处理碳纤维和3-氨基丙基三乙氧基硅烷加入无水乙醇中，60℃搅拌处理10小时，离心取沉淀即可；其中，表面处理碳纤维、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、无水乙醇的质量比为1：3：100。
步骤(2)中，编织的具体方法为：改性碳纤维位于空间直角坐标系的X轴方向，氮化硅纤维在X、Y轴平面上与改性碳纤维成60°夹角交叉重叠，石英纤维在Z轴方向将改性碳纤维与氮化硅纤维固定为一体。
步骤(2)中，改性编织物的制备方法如下：先将编织物利用其7倍重量的硝酸镍-硝酸钴水溶液(包含：硝酸镍0.5mol/L，硝酸钴1mol/L)进行浸渍处理，烘干，转移至管式炉中，在氩气气氛下，以15℃/min加热至700℃，通入乙炔，保温反应10分钟，停止加热，持续通氩气直至自然冷却至室温即可。
浸渍处理的工艺条件为：300W超声波振荡40分钟。
乙炔的通入流量为0.2m3/h，停止加热后氩气的通入流量为0.1m3/h。
步骤(3)中，浸渍处理的工艺条件为：300W超声波振荡80分钟。
实施例2
一种高耐磨性、高强度纤维复合材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)先以碳纤维为基材，四氯化锆作为前驱体，以二氧化碳和氢气为反应气体，氩气为稀释气体，利用化学气相沉积法在基材表面沉积氧化锆，得到表面处理碳纤维，接着将表面处理碳纤维与三氯化硼、六甲基二氮硅烷混合，得到改性碳纤维；
(2)然后将改性碳纤维与氮化硅纤维、石英纤维以质量比50：35：35通过正交三向编织工艺编织成编织物，再采用化学气相沉积法在编织物表面生长碳纳米管，得到改性编织物；
(3)最后将改性编织物利用其9倍重量的环硼氮烷浸渍处理，在100℃和10MPa条件下处理50小时实现固化，1400℃烧结4小时，即得所述的复合材料。
步骤(1)中，二氧化碳的流量为0.2m3/h，氢气的流量为0.2m3/h，氩气的流量为0.2m3/h，沉积温度为1100℃，沉积压力为2kPa，沉积时间为12小时，翻面后继续沉积12小时即可。
步骤(1)中，改性碳纤维的制备方法如下：将表面处理碳纤维利用3-氨基丙基三乙氧基硅烷进行氨基修饰，得到氨基修饰碳纤维，接着将1kg氨基修饰碳纤维与2kg三氯化硼、8kg六甲基二氮硅烷混合均匀，在氮气气氛下，加热至90℃，保温3小时，继续升温至180℃，保温3小时，在氮气气氛下升温至1300℃，保温40分钟，自然冷却至室温，即得。
氨基修饰的具体方法为：先将表面处理碳纤维和3-氨基丙基三乙氧基硅烷加入无水乙醇中，65℃搅拌处理12小时，离心取沉淀即可；其中，表面处理碳纤维、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、无水乙醇的质量比为1：5：100。
步骤(2)中，编织的具体方法为：改性碳纤维位于空间直角坐标系的X轴方向，氮化硅纤维在X、Y轴平面上与改性碳纤维成60°夹角交叉重叠，石英纤维在Z轴方向将改性碳纤维与氮化硅纤维固定为一体。
步骤(2)中，改性编织物的制备方法如下：先将编织物利用其9倍重量的硝酸镍-硝酸钴水溶液(包含：硝酸镍0.7mol/L，硝酸钴1.2mol/L)进行浸渍处理，烘干，转移至管式炉中，在氩气气氛下，以25℃/min加热至800℃，通入乙炔，保温反应15分钟，停止加热，持续通氩气直至自然冷却至室温即可。
浸渍处理的工艺条件为：500W超声波振荡50分钟。
乙炔的通入流量为0.3m3/h，停止加热后氩气的通入流量为0.2m3/h。
步骤(3)中，浸渍处理的工艺条件为：500W超声波振荡100分钟。
实施例3
一种高耐磨性、高强度纤维复合材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)先以碳纤维为基材，四氯化锆作为前驱体，以二氧化碳和氢气为反应气体，氩气为稀释气体，利用化学气相沉积法在基材表面沉积氧化锆，得到表面处理碳纤维，接着将表面处理碳纤维与三氯化硼、六甲基二氮硅烷混合，得到改性碳纤维；
(2)然后将改性碳纤维与氮化硅纤维、石英纤维以质量比40：35：30通过正交三向编织工艺编织成编织物，再采用化学气相沉积法在编织物表面生长碳纳米管，得到改性编织物；
(3)最后将改性编织物利用其9倍重量的环硼氮烷浸渍处理，在80℃和10MPa条件下处理40小时实现固化，1400℃烧结3小时，即得所述的复合材料。
步骤(1)中，二氧化碳的流量为0.2m3/h，氢气的流量为0.1m3/h，氩气的流量为0.2m3/h，沉积温度为1000℃，沉积压力为2kPa，沉积时间为10小时，翻面后继续沉积12小时即可。
步骤(1)中，改性碳纤维的制备方法如下：将表面处理碳纤维利用3-氨基丙基三乙氧基硅烷进行氨基修饰，得到氨基修饰碳纤维，接着将1kg氨基修饰碳纤维与1kg三氯化硼、8kg六甲基二氮硅烷混合均匀，在氮气气氛下，加热至80℃，保温3小时，继续升温至160℃，保温3小时，在氮气气氛下升温至1200℃，保温40分钟，自然冷却至室温，即得。
氨基修饰的具体方法为：先将表面处理碳纤维和3-氨基丙基三乙氧基硅烷加入无水乙醇中，60℃搅拌处理12小时，离心取沉淀即可；其中，表面处理碳纤维、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、无水乙醇的质量比为1：3：100。
步骤(2)中，编织的具体方法为：改性碳纤维位于空间直角坐标系的X轴方向，氮化硅纤维在X、Y轴平面上与改性碳纤维成60°夹角交叉重叠，石英纤维在Z轴方向将改性碳纤维与氮化硅纤维固定为一体。
步骤(2)中，改性编织物的制备方法如下：先将编织物利用其9倍重量的硝酸镍-硝酸钴水溶液(包含：硝酸镍0.5mol/L，硝酸钴1.2mol/L)进行浸渍处理，烘干，转移至管式炉中，在氩气气氛下，以15℃/min加热至800℃，通入乙炔，保温反应10分钟，停止加热，持续通氩气直至自然冷却至室温即可。
浸渍处理的工艺条件为：500W超声波振荡40分钟。
乙炔的通入流量为0.3m3/h，停止加热后氩气的通入流量为0.1m3/h。
步骤(3)中，浸渍处理的工艺条件为：500W超声波振荡80分钟。
实施例4
一种高耐磨性、高强度纤维复合材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)先以碳纤维为基材，四氯化锆作为前驱体，以二氧化碳和氢气为反应气体，氩气为稀释气体，利用化学气相沉积法在基材表面沉积氧化锆，得到表面处理碳纤维，接着将表面处理碳纤维与三氯化硼、六甲基二氮硅烷混合，得到改性碳纤维；
(2)然后将改性碳纤维与氮化硅纤维、石英纤维以质量比45：30：32通过正交三向编织工艺编织成编织物，再采用化学气相沉积法在编织物表面生长碳纳米管，得到改性编织物；
(3)最后将改性编织物利用其8倍重量的环硼氮烷浸渍处理，在90℃和9MPa条件下处理45小时实现固化，1350℃烧结3.5小时，即得所述的复合材料。
步骤(1)中，二氧化碳的流量为0.15m3/h，氢气的流量为0.15m3/h，氩气的流量为0.15m3/h，沉积温度为1050℃，沉积压力为1.5kPa，沉积时间为11小时，翻面后继续沉积11小时即可。
步骤(1)中，改性碳纤维的制备方法如下：将表面处理碳纤维利用3-氨基丙基三乙氧基硅烷进行氨基修饰，得到氨基修饰碳纤维，接着将1kg氨基修饰碳纤维与1.5kg三氯化硼、7kg六甲基二氮硅烷混合均匀，在氮气气氛下，加热至85℃，保温2.5小时，继续升温至170℃，保温2.5小时，在氮气气氛下升温至1250℃，保温35分钟，自然冷却至室温，即得。
氨基修饰的具体方法为：先将表面处理碳纤维和3-氨基丙基三乙氧基硅烷加入无水乙醇中，63℃搅拌处理11小时，离心取沉淀即可；其中，表面处理碳纤维、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、无水乙醇的质量比为1：4：100。
步骤(2)中，编织的具体方法为：改性碳纤维位于空间直角坐标系的X轴方向，氮化硅纤维在X、Y轴平面上与改性碳纤维成60°夹角交叉重叠，石英纤维在Z轴方向将改性碳纤维与氮化硅纤维固定为一体。
步骤(2)中，改性编织物的制备方法如下：先将编织物利用其8倍重量的硝酸镍-硝酸钴水溶液(包含：硝酸镍0.6mol/L，硝酸钴1.1mol/L)进行浸渍处理，烘干，转移至管式炉中，在氩气气氛下，以20℃/min加热至750℃，通入乙炔，保温反应12分钟，停止加热，持续通氩气直至自然冷却至室温即可。
浸渍处理的工艺条件为：400W超声波振荡45分钟。
乙炔的通入流量为0.25m3/h，停止加热后氩气的通入流量为0.15m3/h。
步骤(3)中，浸渍处理的工艺条件为：400W超声波振荡90分钟。
对比例1
一种复合材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)先以碳纤维为基材，四氯化锆作为前驱体，以二氧化碳和氢气为反应气体，氩气为稀释气体，利用化学气相沉积法在基材表面沉积氧化锆，得到表面处理碳纤维；
(2)然后将表面处理碳纤维与氮化硅纤维、石英纤维以质量比40：25：30通过正交三向编织工艺编织成编织物，再采用化学气相沉积法在编织物表面生长碳纳米管，得到改性编织物；
(3)最后将改性编织物利用其7倍重量的环硼氮烷浸渍处理，在80℃和8MPa条件下处理40小时实现固化，1300℃烧结3小时，即得所述的复合材料。
步骤(1)中，二氧化碳的流量为0.1m3/h，氢气的流量为0.1m3/h，氩气的流量为0.1m3/h，沉积温度为1000℃，沉积压力为1kPa，沉积时间为10小时，翻面后继续沉积10小时即可。
步骤(2)中，编织的具体方法为：表面处理碳纤维位于空间直角坐标系的X轴方向，氮化硅纤维在X、Y轴平面上与改性碳纤维成60°夹角交叉重叠，石英纤维在Z轴方向将表面处理碳纤维与氮化硅纤维固定为一体。
步骤(2)中，改性编织物的制备方法如下：先将编织物利用其7倍重量的硝酸镍-硝酸钴水溶液(包含：硝酸镍0.5mol/L，硝酸钴1mol/L)进行浸渍处理，烘干，转移至管式炉中，在氩气气氛下，以15℃/min加热至700℃，通入乙炔，保温反应10分钟，停止加热，持续通氩气直至自然冷却至室温即可。
浸渍处理的工艺条件为：300W超声波振荡40分钟。
乙炔的通入流量为0.2m3/h，停止加热后氩气的通入流量为0.1m3/h。
步骤(3)中，浸渍处理的工艺条件为：300W超声波振荡80分钟。
对比例2
一种复合材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)先以碳纤维为基材，四氯化锆作为前驱体，以二氧化碳和氢气为反应气体，氩气为稀释气体，利用化学气相沉积法在基材表面沉积氧化锆，得到表面处理碳纤维，接着将表面处理碳纤维与三氯化硼、六甲基二氮硅烷混合，得到改性碳纤维；
(2)然后将改性碳纤维与氮化硅纤维、石英纤维以质量比40：25：30通过正交三向编织工艺编织成编织物；
(3)最后将编织物利用其7倍重量的环硼氮烷浸渍处理，在80℃和8MPa条件下处理40小时实现固化，1300℃烧结3小时，即得所述的复合材料。
步骤(1)中，二氧化碳的流量为0.1m3/h，氢气的流量为0.1m3/h，氩气的流量为0.1m3/h，沉积温度为1000℃，沉积压力为1kPa，沉积时间为10小时，翻面后继续沉积10小时即可。
步骤(1)中，改性碳纤维的制备方法如下：将表面处理碳纤维利用3-氨基丙基三乙氧基硅烷进行氨基修饰，得到氨基修饰碳纤维，接着将1kg氨基修饰碳纤维与1kg三氯化硼、6kg六甲基二氮硅烷混合均匀，在氮气气氛下，加热至80℃，保温2小时，继续升温至160℃，保温2小时，在氮气气氛下升温至1200℃，保温30分钟，自然冷却至室温，即得。
氨基修饰的具体方法为：先将表面处理碳纤维和3-氨基丙基三乙氧基硅烷加入无水乙醇中，60℃搅拌处理10小时，离心取沉淀即可；其中，表面处理碳纤维、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、无水乙醇的质量比为1：3：100。
步骤(2)中，编织的具体方法为：改性碳纤维位于空间直角坐标系的X轴方向，氮化硅纤维在X、Y轴平面上与改性碳纤维成60°夹角交叉重叠，石英纤维在Z轴方向将改性碳纤维与氮化硅纤维固定为一体。
步骤(3)中，浸渍处理的工艺条件为：300W超声波振荡80分钟。
试验例
分别对实施例1～4和对比例1、2所得复合材料的机械强度和耐磨性进行考察，具体方法如下：
机械强度：利用万能试验机测试拉伸强度，采用三点弯曲试验测试弯曲强度。
耐磨性：以水为介质，取1cm×1cm×1cm的试样置于JZ7502型砂轮湿法耐磨试验机上，釆用TL80号R2A·B250大气孔组织绿碳化硅砂轮，在荷重为40N下以98r/min的转速经300转的磨程磨削后，测定其单位面积上的磨损量，按照以下公式计算磨损度：
r＝(M1-M2)/S，其中，r为磨损度，M1为试样的磨前质量(g)；M2为试样的磨后质量(g)；S为试样的受磨面积(cm2)。
测试结果见表1。
表1.复合材料性能考察结果
拉伸强度(MPa) 弯曲强度(MPa) 磨损度(g/cm<sup>2</sup>)
实施例1 661.3 57.2 0.07
实施例2 661.8 57.3 0.07
实施例3 662.5 57.8 0.06
实施例4 663.6 58.5 0.04
对比例1 650.2 50.1 0.18
对比例2 645.7 46.9 0.25
由表1可知，实施例1～4所得复合材料具有较高的拉伸强度和弯曲强度，机械强度优异，磨损度低，说明具有优异的耐磨性。
对比例1未对表面处理碳纤维进一步改性处理，对比例2略去编织物表面生长碳纳米管的步骤，机械强度和耐磨性均明显变差，说明碳纤维在体系中相容性的改善以及编织物表面进一步处理协同作用，进一步改善产品的机械强度和耐磨性。
本发明通过上述实施例来说明本发明的技术构思，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品个别原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种高耐磨性、高强度纤维复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)先在碳纤维表面沉积氧化锆，得到表面处理碳纤维，接着将表面处理碳纤维与三氯化硼、六甲基二氮硅烷混合，得到改性碳纤维；
(2)然后将改性碳纤维与氮化硅纤维、石英纤维通过正交三向编织工艺编织成编织物，再采用化学气相沉积法在编织物表面生长碳纳米管，得到改性编织物；
(3)最后将改性编织物利用环硼氮烷浸渍处理，固化，烧结，即得所述的复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，表面处理碳纤维的制备方法如下：先以碳纤维为基材，四氯化锆作为前驱体，以二氧化碳和氢气为反应气体，氩气为稀释气体，利用化学气相沉积法在基材表面沉积氧化锆，即得。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，二氧化碳的流量为0.1～0.2m3/h，氢气的流量为0.1～0.2m3/h，氩气的流量为0.1～0.2m3/h，沉积温度为1000～1100℃，沉积压力为1～2kPa，沉积时间为10～12小时，翻面后继续沉积10～12小时即可。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，改性碳纤维的制备方法如下：将表面处理碳纤维利用3-氨基丙基三乙氧基硅烷进行氨基修饰，得到氨基修饰碳纤维，接着将氨基修饰碳纤维与三氯化硼、六甲基二氮硅烷混合均匀，在氮气气氛下，加热至80～90℃，保温2～3小时，继续升温至160～180℃，保温2～3小时，在氮气气氛下升温至1200～1300℃，保温30～40分钟，自然冷却至室温，即得。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，编织的具体方法为：改性碳纤维位于空间直角坐标系的X轴方向，氮化硅纤维在X、Y轴平面上与改性碳纤维成60°夹角交叉重叠，石英纤维在Z轴方向将改性碳纤维与氮化硅纤维固定为一体。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，改性碳纤维、氮化硅纤维、石英纤维的质量比为40～50：25～35：30～35。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，改性编织物的制备方法如下：先将编织物利用硝酸镍-硝酸钴水溶液进行浸渍处理，烘干，转移至管式炉中，在氩气气氛下，以15～25℃/min加热至700～800℃，通入乙炔，保温反应10～15分钟，停止加热，持续通氩气直至自然冷却至室温即可。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，改性编织物与环硼氮烷的质量比为1：7～9；浸渍处理的工艺条件为：300～500W超声波振荡80～100分钟。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，固化的工艺条件为：在80～100℃和8～10MPa条件下处理40～50小时；
烧结的工艺条件为：1300～1400℃烧结3～4小时。
10.一种高耐磨性、高强度纤维复合材料，是利用权利要求1～9中任一项所述制备方法得到的。
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