一种内含三维有序石墨烯的高导热导电陶瓷基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种内含三维有序石墨烯的高导热导电陶瓷基复合材料的制备方法，其技术特征步骤在于配制石墨烯预处理、浆料配置、有序组装石墨烯、半致密化复合材料制备、加工定向通道及回填，最终再次致密化制得复合材料。本发明专利技术所提供的技术方案可以在较短时间内制备出石墨烯包裹较好的石墨烯/纤维核壳结构，实现界面组装；通过对半致密复合材料加工定向通道并回填完成厚度方向石墨烯组装，致密化后可制得复合材料。本发明专利技术的工艺稳定，可重复性高，成本低廉，产率较高，可使复合材料最终热导率提升10～50倍，电导率提升50～300倍。

【技术实现步骤摘要】
一种内含三维有序石墨烯的高导热导电陶瓷基复合材料的制备方法
本专利技术属于陶瓷基复合材料的制备方法，涉及一种内含三维有序石墨烯的高导热导电陶瓷基复合材料的制备方法。
技术介绍
碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(Cf/SiC)克服了单一碳化硅陶瓷脆性大和可靠性差等致命弱点，具有耐高温、高强度、低密度、热膨胀小、导热性好、较高的高温强度和抗腐蚀等特点，能够实现集烧蚀、隔热、结构承载等功能于一体，从而使有关航空航天结构件实现“结构简化、重量减轻、重复使用”，使航空航天系统达到提高性能、提高可靠性的最终目的。但是随着航空航天技术的发展，对飞机性能以及速度要求提高，对材料性能的要求也越来越高，尤其是应用在航空发动机、火箭发动机和空天飞行器的热防护系统等领域上的Cf/SiC复合材料，除了要求复合材料具备较好的力学性能外，还要求其集导热导电磁屏蔽等功能特性于一体。那么，既保证强度韧性的同时又增加Cf/SiC复合材料的功能性(高热导率、导电率等)是目前该领域亟待解决中的关键问题之一。石墨烯(Graphene,Gr)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，是已知强度最高的材料之一。由于其结构特殊，石墨烯还具备极优异的功能性，如单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，且室温载流子迁移率高达15000cm2/(V·s)，是作为高导热、导电复合材料增强体的最佳材料。然而，由于石墨烯自身结构的影响，表面能高，层间范德华力较强，因此易产生片层卷曲、堆叠及团聚、不易分散等缺点。文献1中Kinloch,I.A等人在文章“Compositeswithcarbonnanotubesandgraphene:Anoutlook”表明，石墨烯的片层缺陷越多，堆叠层数越多，团聚越厉害，分布越无序，对石墨烯的性能影响越大，从而限制了石墨烯性能的发挥。文献2中“FabricationofSiCf-CNTs/SiCcompositeswithhighthermalconductivitybyvacuumfiltrationcombinedwithCVI”报道了一种采用CNTs膜与SiCf纤维布层间组装制备SiCf-CNTs/SiC复合材料的方法，最终使得复合材料热导率提升了2.9倍，提升并不明显。这是因为仅在层间组装了CNTs，并未构建完整的三维网络通道，因此使得最终热导率提升不明显。文献3中“ThermalandmechanicalpropertiesofSiC/SiC-CNTscompositesfabricatedbyCVIcombinedwithelectrophoreticdeposition”报道了一种采用电泳沉积在SiC表面引入CNTs界面以提高复合材料导热性能的方法，但导热性能只提高了1.74倍。与文献2存在同样的问题，即在厚度方向没有有效的导热通道，热流无法在复合材料中沿各个方向传导，从而导致复合材料热导率提升不明显。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种内含三维有序石墨烯的高导热导电陶瓷基复合材料的制备方法，采用浆纱工艺完成石墨烯/纤维界面组装，随后进行编织制备纤维布并完成叠层组装，或编织成2.5维、3维预制体；预制体经沉积界面层以及基体后，制备定向通道，回填石墨烯，从而可构建复合材料内三维导热通道。最后，采用CVI或RMI方法进一步引入基体进行致密化，制备成高导热复合材料。技术方案一种内含三维有序石墨烯的高导热导电陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：采用酸试剂对石墨烯进行表面活化处理0.5～12小时；所述石墨烯与酸试剂之间的质量比为1:40～1:120；步骤2：将预处理的石墨烯、分散剂与溶剂配置成0.1～50mg/mL的溶液，调节pH值至5～10得到浆液；所述分散剂与石墨烯的质量比为0.1～30；步骤3.界面组装：采用浆纱工艺有序组装石墨烯至纤维上，形成一维石墨烯/纤维核壳结构，干燥后完成界面组装；所述组装工艺参数为：上浆机干燥箱温度为25～120℃，干燥时间为1～60分钟，浆槽温度为25～100℃，走纱速度为5～30m/min，得到石墨烯界面组装后的纤维；步骤4：将石墨烯与溶剂配置浓度为0.1～10mg的石墨烯溶液，采用真空抽滤法制备石墨烯薄膜，控制石墨烯膜厚度在15～1000μm；所述真空抽滤时真空泵压力控制在-0.08～0.096Mpa；步骤5.预制体制备：将步骤3所得纤维编织成二维纤维布或2.5维、3维预制体；与步骤4所得石墨烯膜进行层间组装，得到预制体；2.5维、3维纤维预制体直接采用石墨模具定型；所述编织的二维纤维布经密纬密控制为80～120束/10cm；步骤6.沉积界面层以及基体：对预制体采用化学气相渗透法沉积界面层以及SiC基体，制备成半致密复合材料，控制其密度在1.2～1.8g/cm3；沉积界面层以及基体的工艺参数为：沉积PyC界面参数为：以C3H6为气源，Ar为稀释气体，H2为载气，沉积温度为670-870℃，系统总压为5～6kPa，沉积PyC界面相；沉积SiC基体参数为：以三氯甲基硅烷为气源，Ar为稀释气体，以鼓泡方式用H2作为载气将MTS带入反应炉内，沉积温度为1000～1300℃左右，系统总压为5～6kPa，H2与MTS的摩尔比为10:1；步骤7：采用激光在半致密复合材料加工直径为0.3～1mm的微小定向通道，通道间距为2～30mm；控制通道体积占比为10～60％；步骤8.厚度方向组装：将步骤7打孔的材料浸渍在步骤2或步骤4所制备石墨烯溶液中，采用真空浸渍或注射法回填，浸渍压力范围为真空泵压力控制在-0.08～0.096MPa；本步骤重复多次，回填石墨烯直至定向通道不透光；步骤9：采用化学气相渗透法或RMI法渗硅对三维组装后的复合材料进行进一步致密化，使复合材料最终相对密度达到85～95％；所述参数与步骤6沉积基体参数相同。所述石墨烯为：液相剥离石墨烯、电剥离石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、高温膨胀石墨烯、低温膨胀石墨烯中的一种或其中的几种。所述酸试剂采用硝酸、浓硫酸、高锰酸钾、过氧化氢中的一种或几种。所述溶剂为去离子水、N,N-二甲基甲酰胺DMF、乙醇、异丙醇中的一种或几种。所述分散剂为：聚乙烯醇、曲拉通、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、十二烷基二甲基苄基氯化铵、十四烷基二甲基苄基氯化铵、水性聚氨酯、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯吡咯烷酮、羧甲基纤维素钠、甲基纤维素、胆酸钠、聚氧化乙烯、阿拉伯胶中的一种或几种。所述纤维为：碳纤维、碳化硅纤维、硼纤维、或氧化物及其他高温陶瓷纤维。所述石墨烯膜制备时采用预处理的石墨烯，或未处理石墨烯。所述微小定向通道形状为规则形状或不规则形状；所述规则形状为圆形或方形所述微小定向通道排布为有序或无序；为并排排列、环形排列或错位排列。所述微小定向通道排布为等间距的或非等间距。有益效果本专利技术提出的一种内含三维有序石墨烯的高导热导电陶瓷基复合材料的制备方法，利用浆纱工艺现在碳纤维表面构筑石墨烯/碳纤维和壳结构，继而通过编织等方法制备预制体，在二维平面构筑了导热通道，同时层间组装联通了纤维层与纤维之间的石墨烯导热通道，形成三维网络结构；最后通过加工定向通道、回填石墨烯，直接打通了在厚度方向的导热网本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种内含三维有序石墨烯的高导热导电陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：采用酸试剂对石墨烯进行表面活化处理0.5～12小时；所述石墨烯与酸试剂之间的质量比为1:40～1:120；步骤2：将预处理的石墨烯、分散剂与溶剂配置成0.1～50mg/mL的溶液，调节pH值至5～10得到浆液；所述分散剂与石墨烯的质量比为0.1～30；步骤3.界面组装：采用浆纱工艺有序组装石墨烯至纤维上，形成一维石墨烯/纤维核壳结构，干燥后完成界面组装；所述组装工艺参数为：上浆机干燥箱温度为25～120℃，干燥时间为1～60分钟，浆槽温度为25～100℃，走纱速度为5～30m/min，得到石墨烯界面组装后的纤维；步骤4：将石墨烯与溶剂配置浓度为0.1～10mg的石墨烯溶液，采用真空抽滤法制备石墨烯薄膜，控制石墨烯膜厚度在15～1000μm；所述真空抽滤时真空泵压力控制在‑0.08～0.096Mpa；步骤5.预制体制备：将步骤3所得纤维编织成二维纤维布或2.5维、3维预制体；与步骤4所得石墨烯膜进行层间组装，得到预制体；2.5维、3维纤维预制体直接采用石墨模具定型；所述编织的二维纤维布经密纬密控制为80～120束/10cm；步骤6.沉积界面层以及基体：对预制体采用化学气相渗透法沉积界面层以及SiC基体，制备成半致密复合材料，控制其密度在1.2～1.8g/cm...

【技术特征摘要】
1.一种内含三维有序石墨烯的高导热导电陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：采用酸试剂对石墨烯进行表面活化处理0.5～12小时；所述石墨烯与酸试剂之间的质量比为1:40～1:120；步骤2：将预处理的石墨烯、分散剂与溶剂配置成0.1～50mg/mL的溶液，调节pH值至5～10得到浆液；所述分散剂与石墨烯的质量比为0.1～30；步骤3.界面组装：采用浆纱工艺有序组装石墨烯至纤维上，形成一维石墨烯/纤维核壳结构，干燥后完成界面组装；所述组装工艺参数为：上浆机干燥箱温度为25～120℃，干燥时间为1～60分钟，浆槽温度为25～100℃，走纱速度为5～30m/min，得到石墨烯界面组装后的纤维；步骤4：将石墨烯与溶剂配置浓度为0.1～10mg的石墨烯溶液，采用真空抽滤法制备石墨烯薄膜，控制石墨烯膜厚度在15～1000μm；所述真空抽滤时真空泵压力控制在-0.08～0.096Mpa；步骤5.预制体制备：将步骤3所得纤维编织成二维纤维布或2.5维、3维预制体；与步骤4所得石墨烯膜进行层间组装，得到预制体；2.5维、3维纤维预制体直接采用石墨模具定型；所述编织的二维纤维布经密纬密控制为80～120束/10cm；步骤6.沉积界面层以及基体：对预制体采用化学气相渗透法沉积界面层以及SiC基体，制备成半致密复合材料，控制其密度在1.2～1.8g/cm3；沉积界面层以及基体的工艺参数为：沉积PyC界面参数为：以C3H6为气源，Ar为稀释气体，H2为载气，沉积温度为670-870℃，系统总压为5～6kPa，沉积PyC界面相；沉积SiC基体参数为：以三氯甲基硅烷为气源，Ar为稀释气体，以鼓泡方式用H2作为载气将MTS带入反应炉内，沉积温度为1000～1300℃左右，系统总压为5～6kPa，H2与MTS的摩尔比为10:1；步骤7：采用激光在半致密复合材料加工直径为0.3～1mm的微小定向通道，通道间距为2～30mm；控制通道体积占比为10～60％；步骤8.厚度方向组装：将步骤7打孔的材料浸渍在步骤2或步骤4所制备石墨烯溶液中，采用真空浸渍或注射法回填，浸渍压力范围为真空泵压力控制在-0.08～0.09...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘永胜，张运海，王晶，曹立阳，李精鑫，成来飞，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61