一种在C/SiC复合材料表面制备SiC纳米线的方法技术

本发明专利技术提供一种在C/SiC复合材料表面制备SiC纳米线的方法，包括以下步骤：首先，制备二氧化硅粉和碳粉的混合粉备用，然后对C/SiC复合材料样品进行喷砂处理，使其表面具有一定的粗糙度，接着采用PIP工艺在样品表面引入碳源，最后，将制得的样品悬空置于硅粉和碳粉的混合物上方，采用化学气相反应法在C/SiC复合材料表面制备SiC纳米线，本发明专利技术首次在C/SiC复合材料表面引入碳源并成功制备了SiC纳米线，解决了在C/SiC复合材料表面强韧化陶瓷涂层增韧相的制备问题，并且SiC纳米线能够大量生成，使得SiC纳米线完全覆盖基体表面，本发明专利技术制备方法简单，扩宽了C/SiC复合材料的使用范围。

A method for preparing SiC nanowires on the surface of C/SiC composite

The invention provides a method for preparing SiC nanowires on the surface of a C/SiC composite, including the following steps: first, preparation of mixed powder of silica powder and carbon powder, and then sandblasting the samples of C/SiC composite materials to make the surface with a certain roughness and then introduce a carbon source on the surface of the sample by using the PIP process. Finally, the prepared sample suspension is placed above the mixture of silica powder and carbon powder, and SiC nanowires are prepared by chemical vapor phase reaction on the surface of C/SiC composite. The invention is the first time that the carbon source is introduced on the surface of the C/SiC composite and the SiC nanowires are successfully prepared. The enhanced toughening of the ceramic coating on the surface of the C/SiC composite material has been solved. The preparation of the toughened phase, and the SiC nanowires can be produced in a large amount, making the SiC nanowires completely covered by the matrix surface. The preparation method of the invention is simple and broadens the use range of the C/SiC composite.

【技术实现步骤摘要】
一种在C/SiC复合材料表面制备SiC纳米线的方法
本专利技术涉及一种在C/SiC复合材料表面制备SiC纳米线的方法，属于碳纤维增强陶瓷基复合材料领域。
技术介绍
碳纤维增强碳化硅(C/SiC)复合材料具有耐高温、低密度、高性能和抗氧化等显著优点，是一种新型的高温结构防热一体化材料，可广泛应用于航天、航空、高速列车、先进导弹武器、核聚变能源等高科技领域，近年来对于C/SiC复合材料的研究热度不断升温。为了将C/SiC复合材料应用于温度更高的使用环境，需要解决C/SiC复合材料的抗氧化问题。目前应用最广泛的陶瓷质涂层由于与C/SiC复合材料基体的热膨胀系数不同而导致涂层表面具有微裂纹，甚至涂层与基体的剥离，为空气中氧的侵入提供了通道，从而导致涂层失去了对基体材料的保护作用。为了减少缺陷的产生，必须对涂层结构进行优化设计，缓解涂层与C/SiC复合材料基体性能的不匹配问题。SiC纳米线是一种具有高度取向的单晶纤维，晶体结构与金刚石相类似，晶内成分均一，化学杂质少，无晶粒边界且缺陷少，因此具有如下特性及应用领域：(1)良好的电化学稳定性，在高频、大功率和高密度集成电子器件等方面具有巨大的应用潜力；(2)高熔点、高比强度、高弹性模量、低热膨胀系数、优异的力学性能和高温抗氧化能力。目前已开发出多种SiC纳米线的制备方法，如电弧放电法、化学气相沉积法、氧化物辅助生长法和模板法等。目前，国内有不少人将SiC纳米线应用于解决陶瓷基涂层开裂等问题，专利申请CN201110359635.7以反应烧结和原位反应相结合的两步法在制备的Si-SiC复相陶瓷基体上制备SiC纳米线和纳米带，但是这种方法只是在陶瓷基体本身制备过程制备出纳米线，无法应用于在C/SiC复合材料表面制备SiC纳米线；专利申请CN201010142230.3采用化学气相沉积制备了SiC纳米线增韧SiC-MoSi2-CrSi2陶瓷涂层，借助纳米线增韧的作用，减小了涂层的开裂趋势，该方法中使用的复合材料为C/C复合材料，将其用于C/SiC复合材料表面制备SiC纳米线时，由于C/SiC复合材料表面存在大量的SiC，在制备SiC纳米线时，反应生成的SiC纳米线极少，甚至无法与原料反应，从而导致制备的SiC纳米线无法完整覆盖复合材料的表面；专利申请CN201210447597.5直接在制备C/SiC复合材料的过程中原位生成SiC纳米纤维，这种在基体中直接引入SiC纳米线的方法无法应用于在C/SiC复合材料表面合成SiC纳米线，采用该方法必须在制备C/SiC复合材料的同时来制备纳米线，导致成本极高，不适宜普遍应用。综上，如果在C/SiC复合材料表面能够直接生成SiC纳米线，一方面可以提高陶瓷涂层的韧性，另一方面，C/SiC复合材料易于获得，解决了对设备条件等需求，方法能够广泛得到应用，扩大了C/SiC复合材料的应用范围。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种在C/SiC复合材料表面制备SiC纳米线的方法，其工艺简单，且在没有催化剂辅助的条件下，在C/SiC复合材料表面制备出了大量的SiC纳米线，解决了C/SiC复合材料陶瓷涂层的增韧问题。本专利技术的技术解决方案如下：一种在C/SiC复合材料表面制备SiC纳米线的方法，通过以下步骤实现：步骤1、将二氧化硅粉和碳粉混合均匀得到粉料，备用；步骤2、将C/SiC复合材料进行喷砂处理；步骤3、将步骤2制得的复合材料浸渍于碳源先驱体中，进行固化-裂解，继续重复该步骤，直至复合材料增重率达到0.5%～1%；步骤4、将步骤1制备的粉料置于石墨坩埚中，再将步骤3得到的C/SiC复合材料悬挂在石墨坩埚中粉料表面的上方，采用化学气相反应法，即可在C/SiC复合材料表面大量生成SiC纳米线。所述C/SiC复合材料选用常规的C/SiC复合材料，为了便于后续碳源的引入，所述C/SiC复合材料的闭气孔率优选不超过15%；所述步骤1的具体操作为：按质量比1～2：1称量二氧化硅粉和碳粉混合得到混合粉，接着按质量比0.3～0.5：1称取所述混合粉和无水乙醇并在球磨机中进行混合，混合4～6h后，放入通风橱中静置24～48h，然后放入烘箱中保温备用；所述步骤1中，二氧化硅粉与碳粉的比例为1～2：1，原因是：碳粉含量过高会对合成产物SiO的微观形貌有巨大影响，几乎不存在纳米线状；二氧化硅含量过高则会使得反应原料无法完全反应，产物合成率低且造成资源浪费；混合粉与无水乙醇的混合比例为0.3～0.5：1，原因是：球磨过程要求悬浮液浓度不能过大，浓度过大则造成原料混合分散不均匀，此外，悬浮液浓度浓度也不能太小，浓度太小则增加后期乙醇挥发的时间，降低生产效率；进一步地，所述二氧化硅粉的粒径为1～2μm，纯度为99%；碳粉的粒径为0.5～2μm，纯度为99%；若二氧化硅粉和碳粉粒径太大，则导致球磨时间长，两者混合不充分，粒径太小，则分散困难；所述步骤2中，所述C/SiC复合材料为经过打磨抛光、清洗以及烘干的C/SiC复合材料；进一步地，所述喷砂处理为本领域公知的技术，例如喷砂处理其冲蚀粒子可采用尺寸约150μm的白刚玉砂，所用介质可为N2，冲击速度为60～90m/s，攻击角为45～90°，喷砂时间为10～30min；所述步骤3中的碳源先驱体选用常规的能够提供碳源的树脂，例如常用的氨酚醛树脂、硼酚醛树脂或呋喃树脂中的任一种，浸渍裂解过程中采用氨酚醛和硼酚醛溶液，其质量分数可以为40%～50%，呋喃树脂可以直接使用；所述步骤3中，浸渍、固化和裂解的条件是本领域公知技术，可根据实际生产需要进行选择，例如，浸渍可以先经过真空浸渍，再进行加压浸渍；固化条件可以为加压固化，固化压力可为1.5～2.2MPa；裂解反应可以在真空高温电阻炉中进行，条件可以为：以2～3℃/min的速度升温至200℃±2℃，保温2h～2.5h，以0.2～0.4℃/min的速度升温至600℃±5℃，保温2h～3h，再以0.1～0.15℃/min的速度升温至1000℃±10℃，保温3～5h；进一步地，所述步骤3得到复合材料增重率必须达到0.5%～1%，这是因为，增重太低，则C/SiC复合材料表面碳含量不够会使得制备的SiC纳米线无法完全覆盖基体表面；增重太高，则C/SiC复合材料表面的碳源无法完全参与反应，降低了SiC纳米线与基体材料的结合力；所述步骤4中，具体采用碳纤维捆绑样品并悬挂在石墨坩埚内粉料表面的上方，使得样品裸露在反应气氛中的表面积最大，可使得复合材料表面被合成的SiC纳米线基本覆盖完全；进一步地，所述步骤4中，粉料厚度为石墨坩埚深度的1/5～1/3；进一步地，所述步骤4中，所述的化学气相反应法为本领域公知的技术，其反应条件可根据实际生产需要进行选择；例如，所述化学气相反应可以按照如下步骤进行：将石墨坩埚放入高温气氛烧结炉中，抽真空30min±2min后使真空度达到-0.1MPa±-0.01MPa，保真空30min±5min，然后通入惰性气体至常压，以2～3℃/min的升温速度将炉温从室温升至1000℃±5℃，再以1～2℃/min的升温速度升至1400～1600℃，保温2～4h；随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通惰性气体保护；所述步骤1中，烘箱温度可以为60℃～80℃；所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在C/SiC复合材料表面制备SiC纳米线的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将二氧化硅粉和碳粉混合均匀得到粉料，备用；步骤2、将C/SiC复合材料进行喷砂处理；步骤3、将步骤2制得的复合材料浸渍于碳源先驱体中，进行固化‑裂解，继续重复该步骤，直至复合材料增重率达到0.5％～1％；步骤4、将步骤1制备的粉料置于石墨坩埚中，再将步骤3得到的C/SiC复合材料悬挂在石墨坩埚中粉料表面的上方，采用化学气相反应法，即可在C/SiC复合材料表面大量生成SiC纳米线。

【技术特征摘要】
1.一种在C/SiC复合材料表面制备SiC纳米线的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将二氧化硅粉和碳粉混合均匀得到粉料，备用；步骤2、将C/SiC复合材料进行喷砂处理；步骤3、将步骤2制得的复合材料浸渍于碳源先驱体中，进行固化-裂解，继续重复该步骤，直至复合材料增重率达到0.5％～1％；步骤4、将步骤1制备的粉料置于石墨坩埚中，再将步骤3得到的C/SiC复合材料悬挂在石墨坩埚中粉料表面的上方，采用化学气相反应法，即可在C/SiC复合材料表面大量生成SiC纳米线。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二氧化硅粉和碳粉的质量比为1～2：1。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，先将二氧化硅粉和碳粉进行混合得到混合粉，然后混合粉再与无水乙醇进行球磨混合得到粉料。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：王彤，于新民，李晓东，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11