一种碳纤维增强SiAlOC复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维增强SiAlOC复合材料及其制备方法，以三维碳纤维预制件为增强体，包括以下步骤：准备碳纤维预制件并置于压力小于500Pa的真空条件下，用含Al的聚硅氧烷先驱体溶液浸渍；将浸渍后的碳纤维预制件保温后在120‑200℃交联固化，在惰性气氛下1000‑1200℃裂解30‑120min；重复以上浸渍‑固化‑裂解周期，直至本周期结束时样品重量较上周期结束时样品重量增重不超过1％，即得到C/SiAlOC复合材料，解决了C/SiOC复合材料的耐高温能力有限的问题，具有成本低廉、热稳定性好且工艺流程简单、对设备要求低等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维增强SiAlOC复合材料及其制备方法
本专利技术属于耐高温陶瓷基复合材料
，具体涉及一种碳纤维增强SiAlOC复合材料及其制备方法。
技术介绍
碳纤维增强SiOC(C/SiOC)复合材料具有低密度、高强度、高韧性、耐腐蚀等优异特性，在航空航天发动机和燃气轮机热端部件、高速飞行器热结构部件和热防护系统、高速刹车等领域具有广阔的应用前景。碳纤维可以耐2000℃以上的高温，而SiOC陶瓷基体由于具有亚稳的三元结构，在1200℃会发生分相，1400℃发生碳热还原反应导致结构失稳和性能下降，SiOC基体与碳纤维在耐温能力上的显著失配使得C/SiOC复合材料只能在1250℃长寿命使用。引入异质元素对SiOC陶瓷基体改性可以有效提高其耐高温性能，研究表明，引入Al元素提高SiOC陶瓷热稳定性的有效性以得到证明，但是目前采用铝醇盐作为原料制备的先驱体陶瓷产率较低，在制备复合材料时会导致致密化效率低，复合材料力学性能差的问题。因此，利用无机Al盐为原料制备改性C/SiOC复合材料的研究具有很好的应用前景。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种碳纤维增强SiAlOC复合材料及其制备方法，即一种C/SiAlOC复合材料及其制备方法，是一种方法简单、操作方便、成本低廉、制备的C/SiAlOC复合材料兼具较好的耐高温性能和力学性能的碳纤维增强SiAlOC复合材料的制备方法，利用无机Al盐可以提高Al的引入量，可以在不损失力学性能的同时提升C/SiOC复合材料的耐高温性能。本专利技术所述的一种碳纤维增强SiAlOC复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)浸渍：准备碳纤维预制件并置于压力小于500Pa的真空条件下，用含Al的聚硅氧烷先驱体溶液浸渍；2)固化：将上步骤浸渍后的碳纤维预制件保温后形成凝胶，再将凝胶后的预制件在120-200℃交联固化；3)裂解：将上步骤交联固化后的碳纤维预制件在惰性气氛下进行高温裂解，高温裂解温度为1000-1200℃，裂解时间为30-120min；重复以上浸渍-固化-裂解周期多次，直至本周期结束时样品重量较上周期结束时样品重量增重不超过1％，完成制备，得到碳纤维增强SiAlOC复合材料。本专利技术步骤1)所述的碳纤维预制件为2.5维编织物、平纹布叠层缝合预制件、三维针刺毡、三维四向编织物、三维五向编织物或三维六向编织物中的一种。步骤1)所述的含Al的聚硅氧烷先驱体溶液为含铝溶胶与硅树脂乙醇溶液的混合溶胶，含铝溶胶由Al(NO3)3·9H2O溶于乙醇得到，Al(NO3)3·9H2O与乙醇的质量比为(2-5)：10，Al(NO3)3·9H2O与硅树脂的质量比为(1-5)：10，硅树脂乙醇溶液的质量浓度为20-60％；所述的硅树脂，优选小分子量的甲基硅树脂(MK)，MK是一种溶解在甲苯中的甲基硅树脂，该树脂有很高的SiO2含量，完全氧化后含有80％SiO2，按照固体树脂含量计算。步骤1)所述的用含Al的聚硅氧烷先驱体溶液浸渍，浸渍时间是1-4h。步骤2)所述的固化，是将上步骤浸渍后的碳纤维预制件于50-80℃保温24-72h形成凝胶，再将凝胶后的预制件在120-200℃交联固化4-8h。本专利技术所述的重复以上浸渍-固化-裂解周期多次，优选重复次数为10-15次。本专利技术还涉及采用上述一种碳纤维增强SiAlOC复合材料的制备方法得到的碳纤维增强SiAlOC复合材料，在制备工艺相同的情况下，本专利技术方法制备得到的C/SiAlOC复合材料能将C/SiOC复合材料的耐热温度提高150℃，且力学性能与其相当，制备得到的C/SiAlOC复合材料具有更好的耐高温性能。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术采用硅树脂和无机铝盐为原料，通过溶胶-凝胶技术合成含Al的聚硅氧烷先驱体，再通过先驱体浸渍裂解法制得的C/SiAlOC复合材料。利用无机Al盐Al(NO3)3·9H2O做原料合成含Al的聚硅氧烷(PSO)先驱体可以提高Al的引入量。与现有的C/SiOC复合材料相比，由于引入Al元素在Si-O-C体系中形成Si-Al-O键，高温处理时会产生莫来石相提高了碳热还原温度，从而具有更好的耐高温性能。2、本专利技术利用结构简单的小分子硅树脂和无机铝盐为原料制备含Al的PSO先驱体，不仅可以提高Al元素的引入量，进一步提升SiOC陶瓷基体的耐高温性能，还能解决陶瓷产率低的问题，提高C/SiAlOC复合材料的力学性能。3、本专利技术制备方法简单，操作方便，成本低廉，获得的C/SiAlOC复合材料兼具较好的力学性能及耐高温性能，在低压条件下的长寿命服役温度提升至1400℃以上。附图说明图1是本专利技术实施例1制备得到的C/SiOC复合材料经低压高温热处理后的截面SEM照片的图。图2是本专利技术实施例1制备得到的碳纤维增强SiAlOC(C/SiAlOC)复合材料经低压高温热处理后的截面SEM照片的图。具体实施方式以下通过实施例进一步详细描述本专利技术，但这些实施例不应认为是对本专利技术的限制。实施例1：一种碳纤维增强SiAlOC复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)浸渍：准备三维四向编织物并置于压力小于500Pa的真空条件下，用Al(NO3)3·9H2O与硅树脂质量比1:5的含Al的聚硅氧烷先驱体溶液浸渍1h；所述的含Al的聚硅氧烷先驱体溶液为含铝溶胶与硅树脂乙醇溶液的混合溶胶，含铝溶胶由Al(NO3)3·9H2O溶于乙醇得到，Al(NO3)3·9H2O与乙醇的质量比为3：10，硅树脂乙醇溶液的质量浓度为20％，硅树脂选自小分子量的甲基硅树脂(MK)；(2)固化：将浸渍后的碳纤维预制件于60℃保温48h至凝胶，再将凝胶后的预制件在150℃交联固化4h；(3)裂解：将交联固化后的碳纤维预制件在惰性气氛下进行高温裂解，高温裂解温度为1000℃，裂解时间为60min；重复上述的浸渍-固化-裂解周期13次后，得到的样品较第12周期结束时的样品的增重只有0.84％，完成制备，得到C/SiAlOC复合材料。对上述制得的C/SiAlOC复合材料与相同工艺制备的C/SiOC复合材料在低压条件下进行热处理并进行性能测试并进行对比，结果如下表所示：将热处理后的C/SiAlOC复合材料和C/SiOC复合材料的截面进行SEM分析，图1是经1200℃和1500℃低压热处理后C/SiOC复合材料的截面图，结果表明1200℃处理后碳纤维周围被致密的SiOC基体包围，而1500℃处理后复合材料几乎观察不到基体的存在；图2是经1200℃和1500℃低压热处理后C/SiAlOC复合材料的截面图，结果表明1200℃处理后碳纤维周围被致密的SiAlOC基体包围，在1500℃处理后基体发生了部分分解，形成了孔隙。实施例2：一种碳纤维增强SiAlOC复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)浸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维增强SiAlOC复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：/n1)浸渍：准备碳纤维预制件并置于压力小于500Pa的真空条件下，用含Al的聚硅氧烷先驱体溶液浸渍；/n2)固化：将上步骤浸渍后的碳纤维预制件保温后形成凝胶，再将凝胶后的预制件在120-200℃交联固化；/n3)裂解：将上步骤交联固化后的碳纤维预制件在惰性气氛下进行高温裂解，高温裂解温度为1000-1200℃，裂解时间为30-120min；/n重复以上浸渍-固化-裂解周期多次，直至本周期结束时样品重量较上周期结束时样品重量增重不超过1％，完成制备，得到碳纤维增强SiAlOC复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维增强SiAlOC复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)浸渍：准备碳纤维预制件并置于压力小于500Pa的真空条件下，用含Al的聚硅氧烷先驱体溶液浸渍；
2)固化：将上步骤浸渍后的碳纤维预制件保温后形成凝胶，再将凝胶后的预制件在120-200℃交联固化；
3)裂解：将上步骤交联固化后的碳纤维预制件在惰性气氛下进行高温裂解，高温裂解温度为1000-1200℃，裂解时间为30-120min；
重复以上浸渍-固化-裂解周期多次，直至本周期结束时样品重量较上周期结束时样品重量增重不超过1％，完成制备，得到碳纤维增强SiAlOC复合材料。


2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强SiAlOC复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1)所述的碳纤维预制件为2.5维编织物、平纹布叠层缝合预制件、三维针刺毡、三维四向编织物、三维五向编织物或三维六向编织物中的一种。


3.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强SiAlOC复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1)所述的含Al的聚硅氧烷先驱体溶液为含铝溶胶与硅树脂乙醇溶液的混合溶胶，含铝溶胶由Al(NO3)3·9H2O溶于乙醇得到，Al(NO3...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭蕾，马青松，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43