一种电泳沉积制备连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料的方法技术

本发明专利技术属于超高温陶瓷基复合材料领域，具体涉及一种电泳沉积制备连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料的方法，首先在碳纤维上制备聚多巴胺涂层；其次利用聚乙烯亚胺吸附在超高温陶瓷粉体表面并使超高温陶瓷粉体带电；然后通过电泳沉积技术将带电的超高温陶瓷粉体均匀的沉积在含有聚多巴胺涂层的碳纤维上；最后通过热压烧结得到致密的连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料。本发明专利技术的效果和益处：其一，有效的将超高温陶瓷粉体引入到碳纤维束的内部，解决了连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料制备中难以致密化的问题；其二，避免了碳纤维受到的化学腐蚀，优化了基体组分，获得了良好的纤维‑基体界面，提升了复合材料的抗断裂性能和耐超高温性能。

【技术实现步骤摘要】
一种电泳沉积制备连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料的方法
本专利技术属于超高温陶瓷基复合材料领域，具体涉及一种电泳沉积制备连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料的方法。
技术介绍
随着航空航天技术的快速发展，以高超声速导弹、跨大气层飞行器、空天飞机等为应用背景的先进技术逐渐成为发展的趋势。当以高超声速飞行时，受到的气动加热使得飞行器的表面局部温度很高，特别是飞行器的头锥、机翼前缘、机身腹部等关键部位的温度将会高达2000℃以上。虽然传统的耐高温材料(如碳纤维增强碳基复合材料、碳纤维增韧碳化硅基复合材料等)具有优异的高温力学性能，但面对高马赫的要求，很难应用于较长时间的超高温、特别是有氧气氛的苛刻环境，这对现役的热结构材料提出了新的挑战。而超高温陶瓷(如二硼化锆、二硼化铪、二硼化钽、碳化锆、碳化铪、氮化锆、氮化铪等)具有高熔点(～3000℃)、高硬度(～20GPa)、高稳定性、以及优异的抗氧化性能，在极端服役环境下具有较大的潜在应用价值。但超高温陶瓷具有较大的脆性，对裂纹较敏感，往往表现为脆性的灾难破坏；为了提升其抗断裂性能，向其中引入纤维来进行增韧。纤维可以通过纤维脱粘、纤维拔出、纤维桥接等机制吸收大量断裂能，以及增加裂纹的扩展路径，从而克服陶瓷的固有脆性，提高复合材料的断裂韧性，避免发生灾难性破坏。纤维增韧超高温陶瓷基复合材料从纤维长短的角度分为短纤维增韧超高温陶瓷基复合材料和连续纤维增韧超高温陶瓷基复合材料。短纤维增韧超高温陶瓷基复合材料具有各向异性较小的优点，但由于纤维长度较短，通过纤维脱粘、纤维桥接、特别是纤维拔出等机制吸收断裂能的能力有限，难以大幅提升超高温陶瓷基复合材料的断裂韧性，而连续纤维增韧超高温陶瓷基复合材料有望解决这一问题。但对于连续纤维增韧超高温陶瓷基复合材料，在制备过程中基体难以填充纤维束内部，导致获得的复合材料在微观层次上存在孔隙率，难以致密化的问题。此外，为了获得高度致密化的超高温陶瓷基复合材料，一般在原料粉体中会加入烧结助剂(如二硅化锆、二硅化钼、氮化硅等)来促进致密化，但在比较高的烧结温度(～1600℃)下，烧结助剂容易与碳纤维发生化学反应，这不仅导致了纤维自身机械强度的下降而且还容易形成较强的纤维-基体结合界面，从而致使碳纤维难以通过纤维脱粘、纤维拔出、纤维桥接等机制来吸收断裂能，最终对纤维增韧超高温陶瓷基复合材料断裂性能的改善并不理想。因此，为了能有效提升纤维增韧超高温陶瓷基复合材料的断裂韧性，需要解决连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料制备困难的问题；其次，应避免在烧结过程中纤维受到化学反应侵蚀的问题，获取界面结合强度适中的纤维-基体界面以最大化纤维的增韧效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种电泳沉积制备连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料的方法，拟解决连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料制备困难的问题以及避免纤维在复合材料制备过程中易受到基体相的反应侵蚀并获取良好的纤维-基体结合界面，从而制备出断裂性能较佳的碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料。为了实现本专利技术的目的，通过以下技术方案：一种电泳沉积制备连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料的方法，首先利用多巴胺氧化自聚合的特性在碳纤维上制备聚多巴胺涂层；其次使用聚乙烯亚胺吸附在含有烧结助剂的超高温陶瓷粉体表面，并使超高温陶瓷粉体带电；然后通过电泳沉积技术将带电的超高温陶瓷粉体均匀的沉积在含有聚多巴胺涂层的碳纤维上；最后通过热压烧结得到连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料；具体步骤包括：1)以多巴胺为原料，在经过热处理后的碳纤维上制备聚多巴胺涂层，得到聚多巴胺涂层碳纤维；进一步的，聚多巴胺涂层的制备方式是将热处理后的碳纤维浸泡在多巴胺水基溶液中6-48小时；2)使用超高温陶瓷粉体和聚乙烯亚胺配制超高温陶瓷乙醇基浆料，所述的超高温陶瓷粉体中包含烧结助剂，聚乙烯亚胺通过自组装吸附在超高温陶瓷粉体表面，并使超高温陶瓷粉体带上电荷；进一步的，超高温陶瓷粉体与聚乙烯亚胺的添加质量之比为1-50；烧结助剂占超高温陶瓷粉体的质量百分比为5-50％；3)将聚多巴胺涂层碳纤维置于超高温陶瓷乙醇基浆料中，并施加电场，在电场力作用下，带电的超高温陶瓷粉体向聚多巴胺涂层纤维聚集，并不断沉积在聚多巴胺涂层纤维上，得到超高温陶瓷粉体涂覆碳纤维；进一步的，电场的强度为20-2000伏每米；4)将得到的超高温陶瓷粉体涂覆碳纤维置于高温热压炉中，施加20-50MPa的压力，在1200-1400℃下保持10-60分钟进行快速致密化，然后在1400-1700℃下烧结10-120分钟，以使来源于聚合物的热解碳与烧结助剂进行充分的化学反应，最终得到连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料。本专利技术的有益效果：1)本专利技术使用聚乙烯亚胺吸附在超高温陶瓷粉体表面并使超高温陶瓷粉体带电，然后通过电泳沉积技术将带电的超高温陶瓷粉体均匀的沉积在含有聚多巴胺涂层的碳纤维上；通过这种方式能有效的将超高温陶瓷粉体引入到纤维束内部，在微观层次上解决了连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料制备难以致密化的问题。2)本专利技术的来源于聚合物的热解碳，避免了在致密化过程中碳纤维受到基体相的化学反应侵蚀问题，使得碳纤维保持了原始的性能，获得了良好的纤维-基体结合界面，提升了纤维拔出、纤维桥接、纤维脱粘等增韧机制的效果，获得了断裂性能较佳的连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料。3)本专利技术的来源于聚合物的热解碳与基体中熔点较低的烧结助剂发生化学反应，原位生成了纳米级超高温相，优化了基体组分，提升了复合材料的耐高温性能。4)超高温陶瓷粉体的涂覆情况可以方便的通过调节电泳沉积电场强度、沉积时间等来优化以制备出性能更加的连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料。此外可以容易的通过调节碳纤维的方向来减轻连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料的各向异性，更一步提升其综合力学性能。5)本专利技术利用电泳沉积技术，拥有绿色安全、成本较低、效率高等优点，可以在纤维纺丝工艺过程中实现。附图说明图1为实施例的超高温陶瓷粉体涂覆碳纤维的一种扫描电子显微照片；图2为实施例的连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料的沿纤维长度方向的一种扫描电子显微照片；图3为实施例的连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料的沿纤维截面方向的一种扫描电子显微照片；图4为实施例的纤维-基体结合界面区域的背散射电子照片。具体实施方式以下结合附图和技术方案，进一步说明本专利技术的具体实施方式。利用电泳沉积技术制备连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料：首先利用多巴胺氧化自聚合的特性在碳纤维上制备聚多巴胺涂层；其次使用聚乙烯亚胺吸附在超高温陶瓷粉体表面并使超高温陶瓷粉体带电；然后通过电泳沉积技术将带电的超高温陶瓷粉体均匀的沉积在含有聚多巴胺涂层的碳纤维上；最后通过高温热压烧结获得连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料；具体步骤包括：首先，制备聚多巴胺涂层碳纤维：将经过热处理后的T700碳纤维浸泡本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电泳沉积制备连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料的方法，其特征在于，首先利用多巴胺氧化自聚合的特性在碳纤维上制备聚多巴胺涂层；其次使用聚乙烯亚胺吸附在含有烧结助剂的超高温陶瓷粉体表面，并使超高温陶瓷粉体带电；然后通过电泳沉积技术将带电的超高温陶瓷粉体均匀的沉积在含有聚多巴胺涂层的碳纤维上；最后通过热压烧结得到连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种电泳沉积制备连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料的方法，其特征在于，首先利用多巴胺氧化自聚合的特性在碳纤维上制备聚多巴胺涂层；其次使用聚乙烯亚胺吸附在含有烧结助剂的超高温陶瓷粉体表面，并使超高温陶瓷粉体带电；然后通过电泳沉积技术将带电的超高温陶瓷粉体均匀的沉积在含有聚多巴胺涂层的碳纤维上；最后通过热压烧结得到连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料。


2.根据权利要求1所述的一种电泳沉积制备连续碳纤维增韧超高温陶瓷基复合材料的方法，其特征在于，具体步骤包括：
1)以多巴胺为原料，在经过热处理后的碳纤维上制备聚多巴胺涂层，得到聚多巴胺涂层碳纤维；
2)使用超高温陶瓷粉体和聚乙烯亚胺配制超高温陶瓷乙醇基浆料，所述的超高温陶瓷粉体中包含烧结助剂，聚乙烯亚胺通过自组装吸附在超高温陶瓷粉体表面，并使超高温陶瓷粉体带上电荷；
3)将聚多巴胺涂层碳纤维置于超高温陶瓷乙醇基浆料中，并施加电场，在电场力作用下，带电的超高温陶瓷粉体向聚多巴胺涂层纤维聚集，并不断沉积在聚多巴胺涂层纤维上，得到超高温陶瓷粉体涂覆碳纤维；
4)将得到的超高温陶瓷粉体涂覆碳纤维置于高温热压炉中，施加20-50MPa的压力，在1200-1400℃下保持10-60分钟进行快速致密化，然后在1400-1700℃下烧结10-120分钟，以使来源于聚合物的热解碳与烧结助剂进行充分的化学反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：沙建军，刘应军，祖宇飞，田洪亮，代吉祥，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21