一种碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料的制备方法及应用技术

一种碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料的制备方法及应用，涉及一种SiBCN陶瓷复合材料的制备方法及应用。本发明专利技术是要解决现有碳纤维与SiBCN陶瓷复合材料中存在碳纤维与SiBCN陶瓷之间的力学性能较差的问题。方法：一、对碳纤维表面进行氧化处理，得到氧化处理的碳纤维；二、碳纤维表面催化剂的附着；三、碳纳米管改性碳纤维增强体的制备；四、碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷先驱体的制备；五、碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料的制备。本发明专利技术制备的复合材料的界面剪切强度可达到61.99～68.01MPa。用于陶瓷材料领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种SiBCN陶瓷复合材料的制备方法及应用。
技术介绍
现代陶瓷材料由于具有高强度、耐高温、抗腐蚀、抗氧化、低密度等优异性能，在先进航空航天器结构部件、高温发动机、涡轮机、原子能反应堆壁、高温传感器等高
获得了广泛应用。SiBCN多元体系陶瓷与SiC、Si3N4、BN等二元体系陶瓷及SiCN、SiCO等三元体系陶瓷相比，具有更加优异的耐高温和抗氧化性能，是一种备受青睐的新型陶瓷材料。然而，SiBCN多元体系陶瓷用于制备高超声速飞行器大面积迎风区、端头及翼前缘等超高温部位结构时，其力学性能仍不能满足要求。碳纤维(carbon fiber, CF)是一种含碳量在90%以上的低密度、高强度、高比模量的纤维状碳材料，具有突出的耐磨性、耐热性、润滑性、耐酸碱性等性能，是功能复合材料中一种重要的增强体。但是现有的碳纤维与SiBCN陶瓷复合材料中存在碳纤维与SiBCN陶瓷之间的力学性能较差，尤其是碳纤维与SiBCN陶瓷之间的界面剪切强度较差，影响复合材料的韧性，不利于复合材料的应用。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有碳纤维与SiBCN陶瓷复合材料中存在碳纤维与SiBCN陶瓷之间的力学性能较差的问题，提供。本专利技术碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料的制备方法，按以下步骤进行:—、碳纤维表面氧化处理:将碳纤维完全浸没在丙酮中，在温度为70?80°C的条件下加热回流22?26h，在温度为50?60°C下干燥12?14h，得到干燥后的碳纤维，将干燥的碳纤维完全浸没在浓硝酸中，在室温下浸泡5?10h，从浓硝酸中取出后，用去离子水将碳纤维洗涤至中性，在温度为50?60°C下干燥12?14h，得到氧化处理的碳纤维；二、碳纤维表面催化剂的附着:称取一定质量的金属盐，配制0.01?0.2mol/L的金属盐丙酮溶液，将步骤一得到的氧化处理的碳纤维浸入金属盐丙酮溶液中，在室温条件下浸泡10?15h，将浸泡之后的碳纤维取出，放入50?60°C干燥12?14h ；三、碳纳米管改性碳纤维增强体的制备:采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在附着有催化剂的碳纤维表面生长碳纳米管，具体是将附着有催化剂的碳纤维放入炉腔试样台，抽真空至炉腔内的压强为OPa，以20sCCm的流速通入H2，控制炉内压强为200Pa，以20°C /min的速度升温至600?800°C，开始通入CH4，压强稳定后，打开射频开关，维持10?30min，关闭射频，依次停止通入014及Η 2，将炉内压强抽真空至OPa，炉内温度降至室温，制得碳纳米管改性碳纤维多尺度增强体；四、碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷先驱体的制备:将步骤三制得的碳纳米管改性碳纤维增强体、三氯化硼、三氯硅烷及六甲基二硅氮烷均匀混合，在温度为50?90°C，氮气气氛条件下保温2?4h，然后升高温度至160?240°C，在温度为160?240°C，氮气气氛条件下保温2?4h，减压蒸馏去除杂质，得到碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷先驱体；五、碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料的制备:将步骤四得到的碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷先驱体放入真空烧结炉中，在室温下通入氮气30?90min，在氮气气氛下以15°C /min的速度将温度从25°C升高到900°C，保温，之后以10°C /min的升温速度将温度升高到1400°C，保温，在氮气气氛条件下自然降温至室温，得到碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料。上述碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料作为一种轻质、强韧化、高可靠性热防护材料可用于制备高超声速飞行器的大面积迎风区、端头及翼前缘等超高温部位结构。由于碳纤维具有突出的耐磨性、耐热性、润滑性、耐酸碱性等性能，因此碳纤维增强的复合材料也相应的具备了高比模量、高强度、耐高温、耐腐蚀等性能。而制备复合材料时，碳纤维与陶瓷基体的结合强度决定了复合材料的界面性能，直接影响了碳纤维与陶瓷复合材料的整体力学性能。只有当碳纤维与基体材料紧密结合，基体材料才能有效传递外界载荷，提高复合材料的力学性能。本专利技术通过对碳纤维进行表面改性，提高其比表面积，增加纤维与基体之间的浸润性，提高纤维与基体之间的界面剪切强度，改善界面性能，对陶瓷基复合材料的强韧化具有十分重要的意义。本专利技术的有益效果:1、本专利技术制备的碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料，采用等离子体增强化学气相沉积的手段，在附着有催化剂的碳纤维表面原位生长碳纳米管，实现了碳纳米管与碳纤维之间的有效连接，显著增大了碳纤维与陶瓷基体之间的结合界面，提高了碳纤维增强体与陶瓷基体之间的界面结合力，保证了陶瓷基体与纤维增强体之间载荷的有效传递。本专利技术制备的复合材料的界面剪切强度可达到61.99?68.0lMPa。2、本方法以三氯化硼、三氯硅烷及六甲基二硅氮烷为原料制备了 SiBCN多元体系陶瓷基体，相比于以二元体系及三元体系陶瓷为基体制备的复合材料，碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料具有更加优异的耐高温性能及力学性能。【附图说明】图1为实施例1碳纳米管改性碳纤维的扫描电子显微镜照片；图2为实施例1碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料的扫描电子显微镜照片；图3为实施例1碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料力学性能测试结果;图4为实施例2碳纳米管改性碳纤维的扫描电子显微镜照片；图5为实施例2碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料的扫描电子显微镜照片；图6为实施例2碳纳米管改性碳纤维与SiBCN陶瓷基体界面剪切强度测试结果；图7为实施例3碳纳米管改性碳纤维的扫描电子显微镜照片；图8为实施例3碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料的扫描电子显微镜照片；图9为实施例3碳纳米管改性碳纤维与SiBCN陶瓷基体界面剪切强度测试结果；图10为实施例4碳纳米管改性碳纤维的扫描电子显微镜照片；图11为实施例4碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料的扫描电子显微镜照片；图12为实施例4碳纳米管改性碳纤维与SiBCN陶瓷基体界面剪切强度测试结果。【具体实施方式】本专利技术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】间的任意组合。【具体实施方式】一:本实施方式碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料的制备方法，按以下步骤进行:一、对碳纤维表面进行氧化处理，得到氧化处理的碳纤维；二、碳纤维表面催化剂的附着:当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于该方法，按以下步骤进行：一、对碳纤维表面进行氧化处理，得到氧化处理的碳纤维；二、碳纤维表面催化剂的附着：称取金属盐，配制0.01～0.2mol/L的金属盐丙酮溶液，将步骤一得到的氧化处理的碳纤维浸入金属盐丙酮溶液中，在室温条件下浸泡10～15h，将浸泡之后的碳纤维取出，放入50～60℃干燥12～14h；三、碳纳米管改性碳纤维增强体的制备：采用等离子体增强化学气相沉积法在附着有催化剂的碳纤维表面生长碳纳米管，具体是将附着有催化剂的碳纤维放入炉腔试样台，抽真空至炉腔内的压强为0Pa，以20sccm的流速通入H2，控制炉内压强为200Pa，以20℃/min的速度升温至600～800℃，开始通入CH4，压强稳定后，打开射频开关，维持10～30min，关闭射频，依次停止通入CH4及H2，将炉内压强抽真空至0Pa，炉内温度降至室温，制得碳纳米管改性碳纤维多尺度增强体；四、碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷先驱体的制备：将步骤三制得的碳纳米管改性碳纤维增强体、三氯化硼、三氯硅烷及六甲基二硅氮烷均匀混合，在温度为50～90℃，氮气气氛条件下保温2～4h，然后升高温度至160～240℃，在温度为160～240℃，氮气气氛条件下保温2～4h，减压蒸馏去除杂质，得到碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷先驱体；五、碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料的制备：将步骤四得到的碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷先驱体放入真空烧结炉中，在室温下通入氮气30～90min，在氮气气氛下以15℃/min的速度将温度从25℃升高到900℃，保温，之后以10℃/min的升温速度将温度升高到1400℃，保温，在氮气气氛条件下自然降温至室温，得到碳纳米管改性碳纤维增强SiBCN陶瓷复合材料。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张幸红，闫利文，胡平，洪长青，韩文波，赵广东，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23