CN115819102A - 一种Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Cf‑定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料及制备方法，首先采用CVD法以SiO2、Si、C混合粉体作为原料，以催化剂辅助气‑液‑固生长机理在低密度C/C复合材料表面制备高密度定向SiC纳米线，所得的SiC纳米线尺寸均一，以放射状原位生长在碳纤维表面。然后通过LPCVD法以甲醇为碳源在上述的SiC纳米线表面沉积VGNs，石墨烯在SiC纳米线表面原位均匀生长，大量的石墨烯片垂直地生长在SiC纳米线的表面。本发明所提供的技术方案，制备方法简单，原料成本低、制备工艺简单、可重复性强，产量高，能够制备出形状复杂的复合材料构件，极具大规模工业生产的潜力。
Description
技术领域
本发明属于强韧化碳基复合材料的制备领域，涉及一种Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料及制备方法。
背景技术
碳/碳(C/C)复合材料由碳纤维增强的碳基体组成，具备优异的热物理和机械性能，如低密度、高导热、高比强度和韧性、耐腐蚀性以及出色的抗高温性能，在航空、航天、军事等领域得到广泛应用。
航空发动机及高超声速飞行器等的飞速发展对热结构材料提出了更加苛刻的要求。而对于C/C复合材料而言，碳纤维预制体具有各相异性，部分区域存在大尺寸编制盲孔，导致其力学性能较差，无法满足作为热结构材料的要求。因此，有必要进一步增强C/C复合材料，提升其力学性能，以满足更加苛刻的应用条件。
一维纳米材料作为第二增强相，如陶瓷纳米线，可以引入碳基体中以提升C/C复合材料力学性能。通过在纤维表面直接生长陶瓷纳米线构建多尺度纤维，可增大界面接触面积，实现纤维与基体的机械互锁，达到界面的局部加固。为了更大程度地提升C/C复合材料的力学性能，构建多尺度碳纤维预制体，对层内、层间碳纤维及编织盲孔等部位对碳基体进行增强，能够有效实现对复合材料在宏、微观多尺度上的强韧化。专利1“张雨雷,付艳芹,赵志刚,任金翠.一种Cf-HfCnw微纳多尺度强韧化碳基复合材料的制备方法[P].陕西省：CN108546142B,2020-10-27.”利用聚合物前驱体转化法在低密度C/C复合材料内制备出HfC纳米线，得到Cf-HfCnw微纳多尺度强韧化碳基复合材料，一定程度上增韧了碳基复合材料，但前驱体成本较高且不环保，利用率较低，纳米线形性可控性较差。在更多维的尺度上，文献1“Wang H,Li H J,Liu X S,et al.Effects of SiC nanowire decorated with carbonnanosheet on mechanical,heat-dissipation and anti-ablation properties ofcarbon/carbon composites[J].Ceramics International,2019,45(2):2521-2529.”制备了碳纳米片修饰的含有SiC纳米线(SiCNWs)的C/C复合材料，碳纳米片修饰的SiC纳米线结构改善了热解碳(PyC)亚层之间的界面结合，有效防止了复合材料中纤维/基体界面的过度强化，加上SiCNWs自身的增韧效果，SiCNWs-CN-C/C复合材料的抗弯强度显著提高。然而，在大多数情况下，电泳法引入的陶瓷纳米线多为随机分布，且陶瓷纳米线与基底之间为物理结合，结合力较弱，限制了其载荷传递效果，这对改善复合材料微观结构以及机械强度提升的效果有限。研究表明，具有适当长度和表面覆盖率的径向生长的陶瓷纳米线可用于横向增强，对其层间和层内性能都有一定程度的影响，有助于从基体到纤维更好地应力传递。目前对于多尺度增强碳基复合材料的制备工艺多成本高昂，制备复杂，对设备要求高。因此，急需一种强韧化效果明显，操作简单的宏观-细观-微观多尺度增强碳基复合材料的制备工艺。
本发明将在碳纤维预制体内原位引入定向SiCNWs@垂直石墨烯(VGNs)核壳结构，构造出一种Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料。碳纤维、定向SiCNWs、VGNs之间达成多级机械互锁，有利于载荷从基体到纤维的传递，改善纤维/基体之间的界面，起到优异的增韧效果。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料及制备方法。本发明所要解决的技术问题是提供一种Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料的制备方法。本发明所提供的技术方案，制备方法简单，原料成本低、可重复性强，产量高，能够制备出形状复杂的复合材料构件。本发明所制备的Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料，首先在低密度C/C复合材料的碳纤维上制备定向SiC纳米线，而后在定向SiC纳米线上原位沉积VGNs，经致密化处理后，得到微纳多尺度强韧化碳基复合材料。
技术方案
一种Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：采用等温化学气相渗透工艺，将碳纤维预制体制备密度为0.7～1.0g/cm3的低密度C/C复合材料；
步骤2、催化剂的负载：将步骤1获得的低密度C/C复合材料放入金属盐催化剂乙醇溶液中，浸泡1～6h后烘干，获得负载有催化剂的低密度C/C复合材料；
步骤3、化学气相沉积CVD工艺制备含有Cf-定向SiCNWs的低密度C/C复合材料：将粉料平铺于氧化炉坩埚内，将步骤2获得的负载有催化剂的低密度C/C复合材料置于粉料的上方，将氧化炉坩埚置于化学气相沉积炉的高温区，抽真空，以10～200mL/min的流量将Ar充入化学气相沉积炉内；然后以5～10℃/min的升温速率升温至1300～1800℃，保温1～10h，沉积结束后随炉降至室温，得到生长有Cf-定向SiCNWs的低密度C/C复合材料；
所述粉料为质量比为1:0.1～0.5:0.3～0.7的SiO2、Si和C粉体的混合粉料；
步骤4、低压化学气相沉积LPCVD法制备含有Cf-定向SiCNWs@VGNs的低密度C/C复合材料：将步骤3获得的含有Cf-定向SiCNWs的低密度C/C复合材料放置于立式化学气相沉积炉的石墨模具中以5～10℃/min的升温速率升温至850～1200℃后，调节化学气相沉积泵的速率为20～70％，打开甲醇进气阀，控制沉积炉内压力为5～20kPa，沉积时间为0.1～10h；沉积结束后随炉降至室温，得到含有Cf-定向SiCNWs@VGNs的低密度C/C复合材料；
步骤5、等温CVI工艺致密化含有Cf-定向SiCNWs@VGNs的低密度C/C复合材料：将步骤4得到的含有Cf-定向SiCNWs@VGNs的低密度C/C复合材料置于立式CVI管式炉中，待管式炉抽真空至-0.09MPa以下并保压10～40min后，通入流量为1000～3000mL/min的Ar保护气，然后以5～10℃/min的升温速率升温至1000～1300℃；待炉内温度达到设定温度后通入流量为500～1500mL/min的CH4气体，沉积时间为1～5h；沉积结束后随炉降温，得到Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料。
所述等温化学气相渗透采用等温CVI工艺，采用立式CVI管式炉。
所述步骤1采用等温CVI工艺制备低密度C/C复合材料工艺为：将碳纤维预制体置于立式CVI管式炉的高温区，将管式炉抽真空至-0.09Mpa以下，保压20～30min后，通入流量为1000～3000mL/min的Ar保护气，并以5～10℃/min的升温速率升温至1000～1300℃；待炉内温度达到设定温度后通入流量为500～1500mL/min的CH4气体，保温10～50h；保温结束后随炉降温，得到密度为0.7～1.0g/cm3的低密度C/C复合材料。
所述步骤1采用碳纤维预制体的密度为0.25～0.45g/cm3。
所述步骤2的烘干是置于60～90℃的烘箱中烘干。
所述步骤3的混合粉料的混合是置于球磨罐中，球磨4～24h得到混合均匀的粉料。
所述金属盐催化剂乙醇溶液的浓度为0.1～1mol/L。
所述金属盐包括但不限于：硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硫酸亚铁、硫酸钴、硫酸镍、氯化铁、氯化钴或氯化镍。
一种制备的所述Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料，其特征在于：SiC纳米线以放射状原位生长在碳纤维表面，SiC纳米线表面原位均匀生长有石墨烯，定向SiCNWs@VGNs在低密度C/C复合材料表面原位高密度生长，使得碳纤维、定向SiC纳米线、VGNs三者之间纵横交错，形成多级机械互锁。
所述SiC纳米线尺寸均一。
有益效果
本发明提出的一种Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料及制备方法，首先采用CVD法以SiO2、Si、C混合粉体作为原料，以催化剂辅助气-液-固生长机理在低密度C/C复合材料表面制备高密度定向SiC纳米线，所得的SiC纳米线尺寸均一，以放射状原位生长在碳纤维表面。然后通过LPCVD法以甲醇为碳源在上述的SiC纳米线表面沉积VGNs，石墨烯在SiC纳米线表面原位均匀生长，大量的石墨烯片垂直地生长在SiC纳米线的表面。
通过控制化学气相沉积泵的抽速，控制甲醇碳源气体的滞留时间，实现VGNs形貌及产量的调控。最终经过等温CVI致密化处理后，得到微纳多尺度强韧化的碳基复合材料。本方法实现了定向SiCNWs@VGNs在低密度C/C复合材料表面原位高密度生长，能够实现对SiC纳米线、石墨烯的形貌控制，碳纤维、定向SiC纳米线、VGNs三者之间纵横交错，形成多级机械互锁。
VGNs具有高比表面积和丰富的边缘缺陷，边缘处原子活性较高，极易吸附其他原子，能够与PyC形成良好的界面结合。定向SiCNWs@VGNs通过协同提高纤维/基体界面的结合强度提高C/C复合材料的机械性能，结合SiC纳米线自身增韧能力，起到对碳基复合材料在微纳多尺度上的增韧效果。本发明所提供的技术方案，制备方法简单，原料成本低、制备工艺简单、可重复性强，产量高，能够制备出形状复杂的复合材料构件，极具大规模工业生产的潜力。
附图说明
图1：本发明所制备的Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料的制备工艺流程图；
图2：本发明所制备的定向SiCNWs在低密度C/C复合材料表面不同编织方向碳纤维上的微观形貌；
图3：本发明所制备的Cf-定向SiCNWs@VGNs在低密度C/C复合材料表面的微观形貌；
图4：本发明所制备的Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料断口的微观形貌。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例1：
步骤1、等温CVI工艺制备低密度C/C复合材料。将密度为0.25g/cm3碳纤维预制体置于立式CVI管式炉的高温区，将管式炉抽真空至-0.09Mpa以下，保压30min后，通入流量为1000mL/min的Ar保护气，并以5℃/min的升温速率升温至1100℃；待炉内温度达到设定温度后通入流量为500mL/min的CH4气体，保温20h；保温结束后随炉降温，得到密度为0.7g/cm3的低密度C/C复合材料。
步骤2、催化剂的负载。将步骤1获得的低密度C/C复合材料放入浓度为0.1mol/L的硝酸钴乙醇溶液中，浸泡3h，然后取出置于70℃的烘箱中烘干，获得负载有催化剂的低密度C/C复合材料。
步骤3、CVD法制备含有Cf-定向SiCNWs的低密度C/C复合材料。称取质量比为1:0.5:0.4的SiO2、Si、C粉体，置于球磨罐中，球磨12h得到混合均匀的粉料。称取5g上述粉料平铺于氧化炉坩埚内，将步骤2获得的负载有催化剂的低密度C/C复合材料置于粉料的上方，将氧化炉坩埚置于化学气相沉积炉的高温区；抽真空，以200mL/min的流量将Ar充入化学气相沉积炉内；然后以5℃/min的升温速率升温至1300℃，保温1h，沉积结束后随炉降至室温，得到生长有Cf-定向SiCNWs的低密度C/C复合材料。
步骤4、LPCVD法制备含有Cf-定向SiCNWs@VGNs的低密度C/C复合材料。将步骤3获得的含有Cf-定向SiCNWs的低密度C/C复合材料放置于立式化学气相沉积炉的石墨模具中以5℃/min的升温速率升温至850℃，到达目标温度后，随即调节化学气相沉积泵的速率为70％，打开甲醇进气阀，控制沉积炉内压力为5kPa，沉积时间为0.5h；沉积结束后随炉降至室温，得到生长有定向SiC纳米线@VGNs的低密度C/C复合材料。
步骤5、等温CVI工艺致密化含有Cf-定向SiCNWs@VGNs的低密度C/C复合材料。将步骤4得到的含有Cf-定向SiCNWs@VGNs的低密度C/C复合材料置于立式CVI管式炉中，待管式炉抽真空至-0.09MPa以下并保压30min后，通入流量为1000mL/min的Ar保护气，然后以5℃/min的升温速率升温至1000℃；待炉内温度达到设定温度后通入流量为600mL/min的CH4气体，沉积时间为2h；沉积结束后随炉降温，得到Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料。
实施例2：
步骤1、等温CVI工艺制备低密度C/C复合材料。将密度为0.45g/cm3碳纤维预制体置于立式CVI管式炉的高温区，将管式炉抽真空至-0.09Mpa以下，保压30min后，通入流量为1500mL/min的Ar保护气，并以7℃/min的升温速率升温至1100℃；待炉内温度达到设定温度后通入流量为500mL/min的CH4气体，保温20h；保温结束后随炉降温，得到密度为0.9g/cm3的低密度C/C复合材料。
步骤2、催化剂的负载。将步骤1获得的低密度C/C复合材料放入浓度为0.5mol/L的硝酸铁乙醇溶液中，浸泡3h，然后取出置于70℃的烘箱中烘干，获得负载有催化剂的低密度C/C复合材料。
步骤3、CVD法制备含有Cf-定向SiCNWs的低密度C/C复合材料。称取质量比为1:0.5:0.4的SiO2、Si、C粉体，置于球磨罐中，球磨12h得到混合均匀的粉料。称取4g上述粉料平铺于氧化炉坩埚内，将步骤2获得的负载有催化剂的低密度C/C复合材料置于粉料的上方，将氧化炉坩埚置于化学气相沉积炉的高温区；抽真空，以200mL/min的流量将Ar充入化学气相沉积炉内；然后以5℃/min的升温速率升温至1500℃，保温2h，沉积结束后随炉降至室温，得到生长有Cf-定向SiCNWs的低密度C/C复合材料。
步骤4、LPCVD法制备含有Cf-定向SiCNWs@VGNs的低密度C/C复合材料。将步骤3获得的含有Cf-定向SiCNWs的低密度C/C复合材料放置于立式化学气相沉积炉的石墨模具中以7℃/min的升温速率升温至1000℃，到达目标温度后，随即调节化学气相沉积泵的速率为70％，打开甲醇进气阀，控制沉积炉内压力为5kPa，沉积时间为1h；沉积结束后随炉降至室温，得到生长有定向SiC纳米线@VGNs的低密度C/C复合材料。
步骤5、等温CVI工艺致密化含有Cf-定向SiCNWs@VGNs的低密度C/C复合材料。将步骤4得到的含有Cf-定向SiCNWs@VGNs的低密度C/C复合材料置于立式CVI管式炉中，待管式炉抽真空至-0.09MPa以下并保压30min后，通入流量为1000mL/min的Ar保护气，然后以5℃/min的升温速率升温至1100℃；待炉内温度达到设定温度后通入流量为500mL/min的CH4气体，沉积时间为2h；沉积结束后随炉降温，得到Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料。
实施例3：
步骤1、等温CVI工艺制备低密度C/C复合材料。将密度为0.40g/cm3碳纤维预制体置于立式CVI管式炉的高温区，将管式炉抽真空至-0.09Mpa以下，保压30min后，通入流量为3000mL/min的Ar保护气，并以7℃/min的升温速率升温至1150℃；待炉内温度达到设定温度后通入流量为700mL/min的CH4气体，保温20h；保温结束后随炉降温，得到密度为0.9g/cm3的低密度C/C复合材料。
步骤2、催化剂的负载。将步骤1获得的低密度C/C复合材料放入浓度为0.5mol/L的氯化钴乙醇溶液中，浸泡3h，然后取出置于70℃的烘箱中烘干，获得负载有催化剂的低密度C/C复合材料。
步骤3、CVD法制备含有Cf-定向SiCNWs的低密度C/C复合材料。称取质量比为1:0.4:0.7的SiO2、Si、C粉体，置于球磨罐中，球磨12h得到混合均匀的粉料。称取5g上述粉料平铺于氧化炉坩埚内，将步骤2获得的负载有催化剂的低密度C/C复合材料置于粉料的上方，将氧化炉坩埚置于化学气相沉积炉的高温区；抽真空，以50mL/min的流量将Ar充入化学气相沉积炉内；然后以5℃/min的升温速率升温至1600℃，保温1h，沉积结束后随炉降至室温，得到生长有Cf-定向SiCNWs的低密度C/C复合材料。
步骤4、LPCVD法制备含有Cf-定向SiCNWs@VGNs的低密度C/C复合材料。将步骤3获得的含有Cf-定向SiCNWs的低密度C/C复合材料放置于立式化学气相沉积炉的石墨模具中以7℃/min的升温速率升温至1100℃，到达目标温度后，随即调节化学气相沉积泵的速率为40％，打开甲醇进气阀，控制沉积炉内压力为5kPa，沉积时间为5h；沉积结束后随炉降至室温，得到生长有定向SiC纳米线@VGNs的低密度C/C复合材料。
步骤5、等温CVI工艺致密化含有Cf-定向SiCNWs@VGNs的低密度C/C复合材料。将步骤4得到的含有Cf-定向SiCNWs@VGNs的低密度C/C复合材料置于立式CVI管式炉中，待管式炉抽真空至-0.09MPa以下并保压30min后，通入流量为1000mL/min的Ar保护气，然后以7℃/min的升温速率升温至1100℃；待炉内温度达到设定温度后通入流量为1000mL/min的CH4气体，沉积时间为2h；沉积结束后随炉降温，得到Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料。
实施例4：
步骤1、等温CVI工艺制备低密度C/C复合材料。将密度为0.45g/cm3碳纤维预制体置于立式CVI管式炉的高温区，将管式炉抽真空至-0.09Mpa以下，保压30min后，通入流量为2000mL/min的Ar保护气，并以7℃/min的升温速率升温至1150℃；待炉内温度达到设定温度后通入流量为500mL/min的CH4气体，保温40h；保温结束后随炉降温，得到密度为1.0g/cm3的低密度C/C复合材料。
步骤2、催化剂的负载。将步骤1获得的低密度C/C复合材料放入浓度为0.2mol/L的硝酸铁乙醇溶液中，浸泡3h，然后取出置于70℃的烘箱中烘干，获得负载有催化剂的低密度C/C复合材料。
步骤3、CVD法制备含有Cf-定向SiCNWs的低密度C/C复合材料。称取质量比为1:0.4:0.7的SiO2、Si、C粉体，置于球磨罐中，球磨12h得到混合均匀的粉料。称取2g上述粉料平铺于氧化炉坩埚内，将步骤2获得的负载有催化剂的低密度C/C复合材料置于粉料的上方，将氧化炉坩埚置于化学气相沉积炉的高温区；抽真空，以200mL/min的流量将Ar充入化学气相沉积炉内；然后以5℃/min的升温速率升温至1600℃，保温3h，沉积结束后随炉降至室温，得到生长有Cf-定向SiCNWs的低密度C/C复合材料。
步骤4、LPCVD法制备含有Cf-定向SiCNWs@VGNs的低密度C/C复合材料。将步骤3获得的含有Cf-定向SiCNWs的低密度C/C复合材料放置于立式化学气相沉积炉的石墨模具中以7℃/min的升温速率升温至1000℃，到达目标温度后，随即调节化学气相沉积泵的速率为60％，打开甲醇进气阀，控制沉积炉内压力为5kPa，沉积时间为2h；沉积结束后随炉降至室温，得到生长有定向SiC纳米线@VGNs的低密度C/C复合材料。
步骤5、等温CVI工艺致密化含有Cf-定向SiCNWs@VGNs的低密度C/C复合材料。将步骤4得到的含有Cf-定向SiCNWs@VGNs的低密度C/C复合材料置于立式CVI管式炉中，待管式炉抽真空至-0.09MPa以下并保压30min后，通入流量为1000mL/min的Ar保护气，然后以7℃/min的升温速率升温至1100℃；待炉内温度达到设定温度后通入流量为1000mL/min的CH4气体，沉积时间为2h；沉积结束后随炉降温，得到Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料。
根据实施例的附图，更能体现本发明制备材料的特点以及优越性：
图1为本发明所制备的Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料的制备工艺流程图，该流程图清晰地展示了本发明所提出的Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料的制备过程，该制备过程主要分为5步，工艺可控，操作简单。
图2为本发明所制备的定向SiCNWs在低密度C/C复合材料表面不同编织方向碳纤维上的微观形貌，从该图可以得知大量的SiC纳米线原位生长在碳纤维上，且在不同编织方向的碳纤维上生长形貌均一，以近似垂直的方向原位生长在碳纤维上，呈现放射状形貌。SiC纳米线的直径约为0.5μm，长度约为12μm。这种特殊的生长形貌可一定程度上提高纤维/基体界面的结合强度，达到令人满意的增韧效果。
图3为本发明所制备的Cf-定向SiCNWs@VGNs在低密度C/C复合材料表面的微观形貌，从该图可以看出大量的石墨烯片原位垂直地生长在SiC纳米线的表面。VGNs具有高比表面积和丰富的边缘缺陷，边缘处原子活性较高，极易吸附其他原子，能够与PyC形成良好的界面结合。这种特殊形貌的Cf-定向SiCNWs@VGNs可提高纤维承载能力，强化周围的碳基体。
图4为Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料断口的微观形貌，可以观察到SiCNWs的拔出。我们认为，本发明所制备的Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料强度的提高主要是由于SiCNWs@VGNs/PyC界面结合的增强、裂纹偏转、SiCNWs的拔出、SiCNWs@VGNs/PyC断裂导致能量吸收增加。
本发明技术方案并不局限于以上所列举的具体实施方式，还可以作出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：采用等温化学气相渗透工艺，将碳纤维预制体制备密度为0.7～1.0g/cm3的低密度C/C复合材料；
步骤2、催化剂的负载：将步骤1获得的低密度C/C复合材料放入金属盐催化剂乙醇溶液中，浸泡1～6h后烘干，获得负载有催化剂的低密度C/C复合材料；
步骤3、化学气相沉积CVD工艺制备含有Cf-定向SiCNWs的低密度C/C复合材料：将粉料平铺于氧化炉坩埚内，将步骤2获得的负载有催化剂的低密度C/C复合材料置于粉料的上方，将氧化炉坩埚置于化学气相沉积炉的高温区，抽真空，以10～200mL/min的流量将Ar充入化学气相沉积炉内；然后以5～10℃/min的升温速率升温至1300～1800℃，保温1～10h，沉积结束后随炉降至室温，得到生长有Cf-定向SiCNWs的低密度C/C复合材料；
所述粉料为质量比为1:0.1～0.5:0.3～0.7的SiO2、Si和C粉体的混合粉料；
步骤4、低压化学气相沉积LPCVD法制备含有Cf-定向SiCNWs@VGNs的低密度C/C复合材料：将步骤3获得的含有Cf-定向SiCNWs的低密度C/C复合材料放置于立式化学气相沉积炉的石墨模具中以5～10℃/min的升温速率升温至850～1200℃后，调节化学气相沉积泵的速率为20～70％，打开甲醇进气阀，控制沉积炉内压力为5～20kPa，沉积时间为0.1～10h；沉积结束后随炉降至室温，得到含有Cf-定向SiCNWs@VGNs的低密度C/C复合材料；
步骤5、等温CVI工艺致密化含有Cf-定向SiCNWs@VGNs的低密度C/C复合材料：将步骤4得到的含有Cf-定向SiCNWs@VGNs的低密度C/C复合材料置于立式CVI管式炉中，待管式炉抽真空至-0.09MPa以下并保压10～40min后，通入流量为1000～3000mL/min的Ar保护气，然后以5～10℃/min的升温速率升温至1000～1300℃；待炉内温度达到设定温度后通入流量为500～1500mL/min的CH4气体，沉积时间为1～5h；沉积结束后随炉降温，得到Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料。
2.根据权利要求1所述Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料的制备方法，其特征在于：所述等温化学气相渗透采用等温CVI工艺，采用立式CVI管式炉。
3.根据权利要求1所述Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1采用等温CVI工艺制备低密度C/C复合材料工艺为：将碳纤维预制体置于立式CVI管式炉的高温区，将管式炉抽真空至-0.09Mpa以下，保压20～30min后，通入流量为1000～3000mL/min的Ar保护气，并以5～10℃/min的升温速率升温至1000～1300℃；待炉内温度达到设定温度后通入流量为500～1500mL/min的CH4气体，保温10～50h；保温结束后随炉降温，得到密度为0.7～1.0g/cm3的低密度C/C复合材料。
4.根据权利要求1或3所述Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1采用碳纤维预制体的密度为0.25～0.45g/cm3。
5.根据权利要求1所述Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2的烘干是置于60～90℃的烘箱中烘干。
6.根据权利要求1所述Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3的混合粉料的混合是置于球磨罐中，球磨4～24h得到混合均匀的粉料。
7.根据权利要求1所述Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料的制备方法，其特征在于：所述金属盐催化剂乙醇溶液的浓度为0.1～1mol/L。
8.根据权利要求1或7所述Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料的制备方法，其特征在于：所述金属盐包括但不限于：硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硫酸亚铁、硫酸钴、硫酸镍、氯化铁、氯化钴或氯化镍。
9.一种权利要求1～8任一项方法制备的所述Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料，其特征在于：SiC纳米线以放射状原位生长在碳纤维表面，SiC纳米线表面原位均匀生长有石墨烯，定向SiCNWs@VGNs在低密度C/C复合材料表面原位高密度生长，使得碳纤维、定向SiC纳米线、VGNs三者之间纵横交错，形成多级机械互锁。
10.根据权利要求9所述Cf-定向SiCNWs@VGNs微纳多尺度强韧化碳基复合材料，其特征在于：所述SiC纳米线尺寸均一。
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