一种碳纤维增强的多相碳化物陶瓷基复合材料的制备方法技术

一种碳纤维增强的多相碳化物陶瓷基复合材料的制备方法，将生物质碳源加入到水中，得到混合液；将碳纤维于混合液浸渍后进行微波水热反应，得到多孔C/C预制体；将水溶性金属盐、生物质碳源和矿化剂加入到去离子水中，得到混合物；或将水溶性金属盐、硅源、生物质碳源和矿化剂加入到去离子水中，得到混合物；将多孔C/C预制体于混合物中浸渍后转移至微波水热反应釜中，向微波水热反应釜中加入油，然后微波水热反应，在氩气气氛中煅烧即可。本发明专利技术实现通过微波水热法制备碳纤维增强的多相碳化物陶瓷基复合材料，并在此过程中减少了原料的浪费，很好地提高原料利用率。该方法工艺简单、绿色环保、制备周期短，致密化程度高的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维增强的多相碳化物陶瓷基复合材料的制备方法
本专利技术属于超高温陶瓷基复合材料制备
，具体涉及一种碳纤维增强的多相碳化物陶瓷基复合材料的制备方法。
技术介绍
碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料具有高熔点、密度小、化学性能稳定、硬度高、耐磨性能好和导热系数高等特点，同时其具有高温抗烧蚀、抗氧化性能等特点，因此其在航空航天领域中具有广泛的应用前景例如其可以应用在超高音速飞机机翼的前缘、发动机的吼衬、尾喷管等领域，同时其还可以应用于热防护系统中。目前，碳纤维增强的多相碳化物陶瓷基复合材料的制备方法包括高温熔渗渗透法、料浆法、化学气相渗透、聚合物浸渍裂解法、真空压力浸渍方法等。申请号：201510025332.X将Zr、Ti、Si混合粉末熔化并通过毛细作用渗入低密度C/C复合材料内部，经原位反应在孔隙中形成陶瓷相，最终获得C/C-SiC-ZrC-TiC复合材料。但是，该专利中描述的方法虽然快速有效且成本较低，但是该方法反应剧烈、容易损伤碳纤维。申请号：201310412248.4通过化学气相渗透的方法向C纤维编织或叠层的增强结构沉积热解碳，然后进行高温石墨化处理合成的C/C骨架，再通过聚碳硅烷液相浸渍裂解引入SiC增密复合材料，然后浸置硼酚醛树脂，高温裂解形成C，通过融渗法渗金属锆，再进行高温热处理，得到C/C-SiC-ZrC陶瓷基复合材料。但是，该专利中描述的方法利用聚碳硅烷液与硼酚醛树脂这类的有机聚合物往往存在成本高、有毒有害以及化学气相渗透存在制备密度低等缺点，同时在后面利用融渗法渗锆，利用熔渗法在高温条件下制备复合材料往往会损伤纤维和陶瓷颗粒存在分布不均匀等缺点。申请号：201410853569.2选取碳纤维预制体作为增强体，以生物质碳为碳源，采用均相水热法在纤维预制体内沉积碳微球，然后经微波水热法在碳纤维预制体内沉积氧化物，并重复上述碳微球及氧化物沉积的步骤；最后在氩气气氛中煅烧得Cf/C-MC(M＝Zr，Ta，Hf，Si)超高温陶瓷基复合材料。但是，该专利中采用的是常规的水热方式引入MC超高温陶瓷，该方法中存在原料利用率低等缺点。鉴于以上缺陷，实有必要提供一种可以解决以上技术问题的方法以制备碳纤维增强的多相碳化物陶瓷基复合材料。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种碳纤维增强的多相碳化物陶瓷基复合材料的制备方法。为实现上述目的，本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种碳纤维增强的多相碳化物陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)将生物质碳源加入到水中，得到混合液；2)将碳纤维于混合液浸渍后通过微波水热反应在纤维表面沉积一层水热碳层，得到多孔C/C预制体；3)将水溶性金属盐、生物质碳源和矿化剂加入到去离子水中，得到混合物；或将水溶性金属盐、硅源、生物质碳源和矿化剂加入到去离子水中，得到混合物；4)将多孔C/C预制体于混合物中超声下浸渍后转移至微波水热反应釜中，向微波水热反应釜中加入油作为溶剂热介质，然后经微波水热反应在C/C预制体内生成相应的氧化物，微波水热反应结束后干燥，得到碳纤维增强的多相氧化物陶瓷基复合材料；5)除去碳纤维增强的多相氧化物陶瓷基复合材料上的油，得到低密度的多相氧化物陶瓷基复合材料；6)将低密度的复合材料重复步骤4)和步骤5)多次，然后在氩气气氛中煅烧后，得到碳纤维增强的多相碳化物陶瓷基复合材料。本专利技术进一步的改进在于，步骤1)中生物质碳源与水的质量比为(10～25)g：50g。本专利技术进一步的改进在于，步骤2)中碳纤维为短切碳纤维、碳毡或碳纤维编制体；步骤2)中微波水热反应的反应温度为200～220℃，反应时间为2～3h。本专利技术进一步的改进在于，步骤3)中水溶性金属盐为氧氯化锆、硝酸锆、氧氯化铪、硝酸铪、硝酸钽、硝酸铝、硫酸锆、硫酸铪、硫酸钽、硫酸铝、氯化锆、氯化铪、氯化钽或氯化铝的一种或多种；步骤3)中硅源为硅溶胶；步骤3)中矿化剂为尿素；步骤1)和步骤3)中的生物质碳源均为葡萄糖或蔗糖。本专利技术进一步的改进在于，步骤3)中当将水溶性金属盐与生物质碳源加入到去离子水中时，水溶性金属盐与生物质碳源的质量比为(1～15)：5，水溶性金属盐与矿化剂的质量比为(2～5):1；水溶性金属盐与水的质量比为(1～3)：3；当将水溶性金属盐、硅源、生物质碳源和矿化剂加入到去离子水中时，水溶性金属盐与生物质碳源的质量比为(1～15)：5，水溶性金属盐与矿化剂的质量比为(2～5):1，水溶性金属盐、硅源与水的质量比为(1～3)：3：3。本专利技术进一步的改进在于，步骤4)超声的功率为100W，浸渍的时间为1～3h；步骤4)中微波水热反应的温度为200～220℃，时间为1～3h；步骤4)中干燥的温度为60～80℃，时间为5～10h。本专利技术进一步的改进在于，步骤4)中作为溶剂热介质的油为植物油、矿物油或硅油。本专利技术进一步的改进在于，植物油为菜籽油、向日葵油或豆油；矿物油为石蜡或润滑油。本专利技术进一步的改进在于，步骤5)中除去碳纤维增强的多相氧化物陶瓷基复合材料上的油介质具体过程是：将碳纤维增强的多相氧化物陶瓷基复合材料在氩气气氛保护下于1000℃下热处理1～2h。本专利技术进一步的改进在于，步骤6)中将低密度的复合材料重复步骤4)和步骤5)多次至复合材料密度达到1.9g/cm3以上。本专利技术进一步的改进在于，步骤6)中煅烧的温度为1350～1550℃，时间为2～5h。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：本专利技术选取碳纤维作为增强体，以生物质碳为碳源，生物碳具有来源广、成本低、绿色环保等特点；水热条件下在通过微波水热法在纤维表面沉积水热碳层，水热碳层有利于在后面的热处理过程中起到保护纤维的作用，并增强纤维的强度。此外，采用油作为溶剂热介质具有资源广、成本低、绿色环保等优点，利用油性物质与混合溶液之间互不相融原理，把混合溶液封存在C/C预制体内，再利用微波水热法具有加热均匀、无温度梯度、无滞后效应等特点实现超高温陶瓷的氧化物在内部共沉积，且在微波水热法的临界环境中促进陶瓷颗粒离子原位的快速成核生长，进而获得处于亚微米级的氧化物颗粒并在预制体内部呈现弥散分布，亚微米级氧化物颗粒并呈现弥散分布，有利于在较低烧结温度下反应生成碳纤维增强的多相碳化物陶瓷基复合材料，弥散分布的超高温陶瓷颗粒也会使得复合材料在高温领域具有更好的抗烧蚀、抗氧化性能，同时通过该方法可以有效避免MC颗粒的团聚，使的复合材料在力学性能方面的应用过程中有效避免应力的集中，进而提高复合材料的力学性能。该方法具有制备工艺简单、缩短制备周期短、成本低的特点，该方法得到的碳化物MC颗粒粒度小、颗粒在C/C基体内呈现弥散分布，由于是采用油作为溶剂热介质的微波水热法，这就可以实现MC颗粒的共沉积和原位生长或共沉积，同时很好地利用了溶剂热介质与C/C预制体内部和表面的溶液互不相融原理，使得原料溶液被封存在C/C基体内部，进而有效避免在试样表面呈现结壳现象和达到多相的引入，同时实现通过微波水热法制备碳纤维增强的多相碳化物陶瓷基复合材料，并在此过程中减少了原料的浪费，很好地提高原子利用率。该方法工艺简单、绿色环保、制备周期短，致密化程度高的优点。附图说明图1是本专利技术制备的C/C-SiC-ZrC的原理示意图。图2是本专利技术制备的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维增强的多相碳化物陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将生物质碳源加入到水中，得到混合液；2)将碳纤维于混合液浸渍后通过微波水热反应在纤维表面沉积一层水热碳层，得到多孔C/C预制体；3)将水溶性金属盐、生物质碳源和矿化剂加入到去离子水中，得到混合物；或将水溶性金属盐、硅源、生物质碳源和矿化剂加入到去离子水中，得到混合物；4)将多孔C/C预制体于混合物中超声下浸渍后转移至微波水热反应釜中，向微波水热反应釜中加入油作为溶剂热介质，然后经微波水热反应在C/C预制体内生成相应的氧化物，微波水热反应结束后干燥，得到碳纤维增强的多相氧化物陶瓷基复合材料；5)除去碳纤维增强的多相氧化物陶瓷基复合材料上的油，得到低密度的多相氧化物陶瓷基复合材料；6)将低密度的复合材料重复步骤4)和步骤5)多次，然后在氩气气氛中煅烧，得到碳纤维增强的多相碳化物陶瓷基复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维增强的多相碳化物陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将生物质碳源加入到水中，得到混合液；2)将碳纤维于混合液浸渍后通过微波水热反应在纤维表面沉积一层水热碳层，得到多孔C/C预制体；3)将水溶性金属盐、生物质碳源和矿化剂加入到去离子水中，得到混合物；或将水溶性金属盐、硅源、生物质碳源和矿化剂加入到去离子水中，得到混合物；4)将多孔C/C预制体于混合物中超声下浸渍后转移至微波水热反应釜中，向微波水热反应釜中加入油作为溶剂热介质，然后经微波水热反应在C/C预制体内生成相应的氧化物，微波水热反应结束后干燥，得到碳纤维增强的多相氧化物陶瓷基复合材料；5)除去碳纤维增强的多相氧化物陶瓷基复合材料上的油，得到低密度的多相氧化物陶瓷基复合材料；6)将低密度的复合材料重复步骤4)和步骤5)多次，然后在氩气气氛中煅烧，得到碳纤维增强的多相碳化物陶瓷基复合材料。2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强的多相碳化物陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中生物质碳源与水的质量比为(10～25)g：50g。3.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强的多相碳化物陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中碳纤维为短切碳纤维、碳毡或碳纤维编制体；步骤2)中微波水热反应的反应温度为200～220℃，反应时间为2～3h。4.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强的多相碳化物陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中水溶性金属盐为氧氯化锆、硝酸锆、氧氯化铪、硝酸铪、硝酸钽、硝酸铝、硫酸锆、硫酸铪、硫酸钽、硫酸铝、氯化锆、氯化铪、氯化钽或氯化铝的一种或多种；步骤3)中硅源为硅溶胶；步骤3)中矿化剂为尿素；步骤1)和步骤3)中的生物质碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：李翠艳，黎桂标，欧阳海波，黄剑锋，刘雪，费杰，曹丽云，张陶波，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61