氮化硅和碳纳米管纤维的复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种氮化硅和碳纳米管纤维复合材料的制备方法，将碳纳米管纤维和硅粉混合，得到复合粉体或复合层片；将复合粉体或复合层片直接或层叠加入定形的模具中60‑200MPa加压成型，保压10‑20s成型得到素坯；将素坯放入气氛炉中反应烧结，以1‑5℃/min升至1000‑1500℃高温，保持碳纳米管纤维复合硅粉反应烧结所需气氛与气压，得到碳纳米管纤维复合材料；这些具有氮化硅结合碳纳米管结构的氮化硅和碳纳米管纤维的复合材料具有轻质、高强、导电导热等性能，可作为高性能结构导电导热材料和功能材料，用于相关领域，特别有望作为高性能复合材料、用于航空航天、国防装备和功能材料器件等领域。

【技术实现步骤摘要】
氮化硅和碳纳米管纤维的复合材料及其制备方法
本专利技术涉及一种氮化硅和碳纳米管的复合材料及其制备方法，具体是采用碳纳米管纤维复合硅粉反应烧结的方法，制备碳纳米管定向、均匀分散、高含量的氮化硅和碳纳米管纤维的复合材料，属于纳米材料领域。
技术介绍
氮化硅复合材料具有轻质、高强、高韧性、耐高温、抗热震，等优异的力学和高温性能，并具有导电、导热等物理性能，广泛应用于航空航天、国防装备等高
，在机械、化工、电子工业等领域也有广泛的应用。碳纳米管(CNT)具有一维纳米结构、高的比表面积，具有高强度、高模量、高韧性和高导电、高导热性以及电场发射等性能。这些优异的结构、力学、物理和功能性能使碳纳米管成为发展新型高性能、高导电导热复合材料和功能材料的理想材料。将碳纳米管纤维作为增强体与氮化硅进行复合利用碳纳米管纤维中单根碳纳米管高的比表面积、高强度、高模量和高韧性等性能可与氮化硅基体匹配构成良好的界面结合，具有小的界面应力，有望获得高强、抗冲击、耐高温和抗热震的高性能纤维增强氮化硅复合材料。利用碳纳米管纤维中碳纳米管独特的一维纳米结构、高导电和高导热性能，可在氮化硅基体中形成相互连接的导电和导热网络，实现复合材料承载、服役和实效应力的实时监测，发展具有智能特性的新型氮化硅基复合材料。中国专利CN1514184A公开了一种碳纳米管与氮化硅等陶瓷复合材料，该复合材料主要由碳纳米管与陶瓷热压烧结而成具有吸波特性。其制备方法包括以下步骤：首先在分散介质中使用表面活性剂分散碳纳米管；再采用直接混合或快速溶胶-凝胶法制备复合粉体；最后进行热压烧结。该方法使用了催化剂、活性剂等助剂，工艺复杂，条件较为苛刻，成本较高。采用碳纳米管纤维复合硅粉反应烧结的方法制备出氮化硅和碳纳米管纤维的复合材料未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种氮化硅和碳纳米管纤维复合材料的制备方法，即碳纳米管纤维复合硅粉反应烧结。碳纳米管纤维复合硅粉反应烧结的方法是以CN101153413A专利中提到的碳纳米管纤维，经简单的剪切、搓捻等机械加工后与硅粉经超声、球磨等机械混合后经模具压制成型，在气氛炉中通气氛进行再反应烧结的方法。反应烧结是氮化硅陶瓷制备中一种反应与烧结同时进行的制备方法，这种方法具有反应可控、尺寸精度容易控制、工艺简便等优点，通过控制烧结温度、时间和气压等参数可调控氮化硅的含量和进度。本专利技术通过设计和构造复合材料的形态和尺寸可制备出块体、纤维等不同外观形态的氮化硅和碳纳米管纤维复合材料，通过控制碳纳米管纤维的加入及方式制备出各种碳纳米管纤维含量、排列取向的氮化硅和碳纳米管纤维复合材料。碳纳米管纤维的质量分数可为0.1-99.9％。通过碳纳米管纤维复合硅粉反应烧结的方法制备的氮化硅和碳纳米管纤维的复合材料具有轻质、高导电导热和吸波等性能，作为高性能结构和功能材料用于相关领域。本专利技术的技术方案如下：一种氮化硅和碳纳米管纤维复合材料的制备方法，步骤如下：(1)将碳纳米管纤维和硅粉混合，得到复合粉体或复合层片；(2)将复合粉体或复合层片直接或层叠加入定形的模具中60-200MPa加压成型，保压10-20s成型得到素坯；(3)将素坯放入气氛炉中反应烧结，以1-5℃/min升至1000-1500℃高温，保持碳纳米管纤维复合硅粉反应烧结所需气氛与气压，得到碳纳米管纤维复合材料；所述的碳纳米管纤维是单壁碳纳米管，双壁碳纳米管，多壁碳纳米管的一种或几种的混合。所述硅粉为纯硅粉或硅粉与烧结助剂的混合物。步骤1)混合方法为：将硅粉和碳纳米管纤维置于有机分散介质中超声搅拌分散至有机溶剂完全挥发，得到复合粉体或复合层片。或将硅粉和碳纳米管纤维直接球磨机械混合，得到复合粉体或复合层片。所述机溶剂为乙醇、丙酮中的一种或几种的混合。所述反应烧结高温1000-1500℃时，保温3-72h。反应烧结用的气氛为氢气、氮气、氨气中的一种或几种的混合。反应烧结所用的气压为0.1-50MPa。本专利技术提供的氮化硅和碳纳米管纤维的复合材料及其制备方法，采用硅粉与碳纳米管纤维复合后，经硅粉氮化反应烧结制备。本专利技术制备出了氮化硅和碳纳米管纤维的复合材料。这些具有氮化硅结合碳纳米管结构的氮化硅和碳纳米管纤维的复合材料具有轻质、高强、导电导热等性能，可作为高性能结构导电导热材料和功能材料，用于相关领域，特别有望作为高性能复合材料、用于航空航天、国防装备和功能材料器件等领域。附图说明图1为实例1氮化硅和碳纳米管纤维复合块光学照片图2为实例1氮化硅和碳纳米管纤维复合材料断面的扫面电镜照片。图3为实例1氮化硅和碳纳米管纤维复合材料的XRD图谱。图4为实例1氮化硅和碳纳米管纤维复合材料的拉曼图谱。图5为实例1氮化硅和碳纳米管纤维复合材料的导热系数-温度图。图6为实例2氮化硅和碳纳米管纤维复合材料断面的光学电镜照片。图7为实例2氮化硅和碳纳米管纤维复合材料断面的高倍率扫描电镜照片。图8为实例2氮化硅和碳纳米管纤维复合材料的吸波性能图谱。图9为实例3氮化硅和碳纳米管纤维复合材料断面的高倍率扫描电镜照片。具体实施方式下面结合实施例作进一步描述，但不以此限制本专利技术的保护范围：本专利技术提供的氮化硅和碳纳米管纤维的复合材料实施例步骤如下：1)将碳纳米管纤维按常规方法加工成确定形状。碳纳米管纤维经过剪切、搓捻等常规机械方法加工成制备复合材料需要的形态。2)将碳纳米管纤维复合硅粉。将纯硅粉或硅粉与烧结助剂的混合物和加工后的碳纳米管纤维置于有机分散介质中超声、搅拌分散至有机溶剂完全挥发，得到复合粉体或复合层片。或者将纯硅粉或硅粉与烧结助剂的混合物和加工后的碳纳米管纤维直接球磨等机械混合，得到复合粉体或复合层片。3)制备碳纳米管纤维复合硅粉素坯。将得到的复合粉体或复合层片直接或层叠加入确定形状的模具中60-200MPa加压成型，保压10-20s成型得到素坯。4)碳纳米管纤维复合硅粉反应烧结。将中素坯放入气氛炉中反应烧结，以1-5℃/min升至高温，并保温一段时间，保持碳纳米管纤维复合硅粉反应烧结所需气氛与气压，硅粉反应氮化成氮化硅，制得氮化硅和碳纳米管纤维的复合材料，自然冷却至室温。所述的碳纳米管纤维是单壁碳纳米管，双壁碳纳米管，多壁碳纳米管的一种或几种的混合。所述的碳纳米管纤维复合硅粉所用有机溶剂为乙醇、丙酮中的一种或几种的混合。所述的碳纳米管纤维复合硅粉反应烧结所用的高温为1000-1500℃，保温3-72h。所述的碳纳米管纤维复合硅粉反应烧结所用的气氛为氢气、氮气、氨气中的一种或几种的混合。所述的碳纳米管纤维复合硅粉反应烧结所用的气压为0.1-50MPa。实施例1：(1)将碳纳米管纤维按常规方法加工成确定形状。用于制备氮化硅和碳纳米管纤维复合材料所用的碳纳米管纤维是根据专利CN101665997A报道的化学气相纺丝法制备的。用0.006g和长度约16cm(直径～150μm)碳纳米管纤维短切成1mm。(2)碳纳米管纤维复合硅粉。将(1)中纤维与6g硅粉(ST-G-001，500nm，上海水田科技有限公司)加入盛有20ml乙醇的烧杯中，超声(AS3120B，超声波清洗器，天津奥特赛恩斯仪器有限公司)2h，研磨1h，自然干燥12h，称重纤维重量与复合硅粉后重量，得碳纳米管纤维质量分数为0.1wt.％。(3)制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化硅和碳纳米管纤维复合材料的制备方法，其特征是步骤如下：(1)将碳纳米管纤维和硅粉混合，得到复合粉体或复合层片；(2)将复合粉体或复合层片直接或层叠加入定形的模具中60‑200MPa加压成型，保压10‑20s成型得到素坯；(3)将素坯放入气氛炉中反应烧结，以1‑5℃/min升至1000‑1500℃高温，保持碳纳米管纤维复合硅粉反应烧结所需气氛与气压，得到碳纳米管纤维复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种氮化硅和碳纳米管纤维复合材料的制备方法，其特征是步骤如下：(1)将碳纳米管纤维和硅粉混合，得到复合粉体或复合层片；(2)将复合粉体或复合层片直接或层叠加入定形的模具中60-200MPa加压成型，保压10-20s成型得到素坯；(3)将素坯放入气氛炉中反应烧结，以1-5℃/min升至1000-1500℃高温，保持碳纳米管纤维复合硅粉反应烧结所需气氛与气压，得到碳纳米管纤维复合材料；所述步骤1)混合方法为：将硅粉和碳纳米管纤维置于有机分散介质中超声搅拌分散至有机溶剂完全挥发，得到复合粉体或复合层片；或步骤1)混合方法为：将硅粉和碳纳米管纤维直接球磨机械混合，得到复合粉体或复合层片。2.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛平慧，张艳彩，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12