一种短切碳纤维增韧碳化硅复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种短切碳纤维增韧碳化硅复合材料及其制备方法，所述制备方法包括：将短切碳纤维、硅烷偶联剂、无水乙醇、去离子水反应得到偶联剂接枝的短切碳纤维；将所述偶联剂接枝的短切碳纤维与高残碳率粘结剂的有机溶液经混合得到高残碳率粘结剂覆膜的短切碳纤维；将所述高残碳率粘结剂覆膜的短切碳纤维与碳化硅粉混合，得到混合粉体；将所述混合粉体经干压成型得到素坯，再经脱脂处理得到预制体；将所述预制体进行反应熔渗，得到所述短切碳纤维增韧碳化硅复合材料。维增韧碳化硅复合材料。维增韧碳化硅复合材料。

A short carbon fiber toughened silicon carbide composite and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种短切碳纤维增韧碳化硅复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术具体涉及一种短切碳纤维增韧碳化硅(C
f
/SiC)复合材料及其制备方法，属于纤维增韧复合材料领域。

技术介绍

[0002]碳化硅陶瓷具有高硬度、高强度、抗氧化、耐腐蚀以及良好的热稳定性等优异性能，因而被广泛应用石油化工、航空航天等领域。然而，碳化硅陶瓷的脆性断裂是目前作为高温结构陶瓷应用的最大阻碍。碳纤维增韧碳化硅(C
f
/SiC)复合材料兼具了碳纤维的高比强度、高比刚度、高比模量、低密度等优点，同时，因为纤维的引入存在纤维断裂、纤维拔出、基体开裂等断裂机制，从而大大提升了其断裂韧性，使碳纤维增韧碳化硅(C
f
/SiC)复合材料呈现延性断裂，提升了其可靠性，拓宽了工程应用领域。
[0003]连续纤维增韧碳化硅复合材料主要通过化学气相渗透(CVI)、前驱体浸渍裂解(PIP)等方法制备，制备成本高，能耗高。而短切碳纤维增韧碳化硅复合材料制备能耗低、周期短、成本低，且材料呈现各向同性，因而更具有工程应用价值。
[0004]目前，制备短切碳纤维增韧碳化硅复合材料的主要方法有：注浆成型
‑
反应熔渗法、凝胶注模成型
‑
反应熔渗法、热压烧结(HP)法、放电等离子体(SPS)法。注浆成型存在着注浆体密度不均一致使产品开裂的问题，同时，受于湿法成型的限制，需要使用如四甲基氢氧化铵(TMAH)等有毒性的分散剂防止纤维絮凝，成型部件固相含量低、强度低。凝胶注模成型通过有机单体原位反应交联固化成型，在成型过程中需要使用大量的有毒有害的有机物，会对人体和环境造成巨大的伤害。热压烧结过程中，烧结温度和烧结压力高，且因为高的压力，纤维呈现明显的取向，烧结部件呈现出各向异性。放电等离子体烧结过程中因骤冷骤热作用，热应力显著。所得材料中存在裂纹，且无法成型大尺寸部件，因而限制了其工程应用。

技术实现思路

[0005]针对现有的短切碳纤维增韧碳化硅复合材料的注浆成型固相含量低、凝胶注模成型毒性大、热压烧结各向异性显著以及放电等离子体烧结部件裂纹多、无法实现大尺寸部件的制备等问题，本专利技术提供了一种短切碳纤维增韧碳化硅(C
f
/SiC)复合材料及其的制备方法。
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种短切碳纤维增韧碳化硅(C
f
/SiC)复合材料的制备方法，包括：将短切碳纤维、硅烷偶联剂、无水乙醇、去离子水反应得到偶联剂接枝的短切碳纤维；将所述偶联剂接枝的短切碳纤维与高残碳率粘结剂的有机溶液混合得到高残碳率粘结剂覆膜的短切碳纤维；将所述高残碳率粘结剂覆膜的短切碳纤维与碳化硅粉混合，得到混合粉体；将所述混合粉体经干压成型得到素坯，经脱脂处理得到预制体；将所述预制体进行反应熔渗，得到所述短切碳纤维增韧碳化硅复合材料。
[0007]本专利技术采用的硅烷偶联剂具有两性分子，作为中间界面层用于改善无机相的碳纤
维和有机相的碳化硅之间的极性和界面相容性，利于酚醛树脂在纤维表面的铺展。由于硅烷偶联剂在碳纤维表面接枝是一个化学反应，反应机理：即偶联剂先发生水解反应形成硅醇键，进而与纤维表面以化学键的形式连接。而且，硅烷偶联剂的水解是一个可逆反应，需要一定的温度反应温度(60
‑
85℃)，在常温下很难实现水解。故此在本专利中并未采用一步法直接混合球磨的方法。再者，一步法直接混合酚醛树脂、碳纤维和碳化硅粉，碳化硅的存在会与碳纤维的酚醛树脂覆膜过程形成竞争反应，不利于酚醛树脂在碳纤维表面的覆膜。
[0008]本专利技术采用高残碳率粘结剂覆膜的短切碳纤维、碳化硅粉等为原料通过干法球磨、干压成型、真空脱脂、反应熔渗等工艺，制备成本低廉、无毒无害、轻质高强、力学性能优异的短切碳纤维增韧碳化硅复合材料。
[0009]较佳的，所述高残碳率粘结剂的残碳率为50％～65％，优选地，所述高残碳率粘结剂为酚醛树脂、环氧树脂、沥青树脂中的至少一种；所述高残碳率粘结剂的有机溶液中有机溶剂选自丙酮、甲苯和乙醇中的至少一种(但是考虑到丙酮和甲苯等溶剂均有毒性，因此优先使用乙醇作为溶剂)；所述高残碳率粘结剂覆膜的短切碳纤维为酚醛树脂覆膜的短切碳纤维所述短切碳纤维的长度为10～130μm，直径为6～8μm；所述硅烷偶联剂为氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、3
‑
氨丙基三甲氧基硅烷(KH540)、环氧基硅烷(KH560)、三氨丙基甲基二乙氧基硅烷(A
‑
2100)、N
‑
(β
‑
氨乙基
‑
γ
‑
氨丙基)甲基二甲氧基硅烷(A2120)中的至少一种。
[0010]本专利技术采用酚醛树脂作为粘结剂主要有以下优点：(1)酚醛树脂热解后残碳率高(50％～65％)，能为后续的反应熔渗过程提供充足碳源。(2)酚醛树脂为刚性分子链，粘结性能优异。
[0011]较佳的，所述短切碳纤维、硅烷偶联剂、无水乙醇、去离子水的添加量为50g：(0.5～3)g：(60～90)mL：(40～10)mL。
[0012]较佳的，所述反应的温度为60～85℃，时间为2～4.5h。
[0013]较佳的，所述高残碳率粘结剂占高残碳率粘结剂覆膜的短切碳纤维总体积的含量为10vol％～30vol％。
[0014]较佳的，所述乙醇溶剂的添加量与偶联剂接枝的碳纤维的添加量可为(1～4)g：1g。
[0015]本专利技术以酚醛树脂覆膜的短切碳纤维为原料，其中粘结性能优良的酚醛树脂作为干压成型时的粘结剂利于成型，同时酚醛树脂覆膜能够有效地减少粘结剂的使用量，再者酚醛树脂覆膜的碳纤维/碳化硅素坯在真空脱脂的过程中会转变成为热解碳覆膜的碳纤维/碳化硅预制体，高残碳率(50％～65％)的酚醛树脂形成的热解碳为反应熔渗提供了充足的碳源，此外，热解碳覆膜的短切碳纤维在反应熔渗的过程中会形成碳化硅覆膜的碳纤维，对纤维在一定程度上起到保护作用，防止碳纤维与液态硅反应。
[0016]较佳的，所述碳化硅粉体的平均粒径为0.5～50μm。
[0017]较佳的，所述高残碳率粘结剂覆膜短切碳纤维与碳化硅粉的质量比为(10～90)g：(90～10)g。
[0018]较佳的，所述干压成型的压力为5～60MPa。
[0019]采用干压成型方式，碳纤维无明显的取向，成型部件呈现各向同性；将脱脂预制体进行反应熔渗，能够实现低温(1450℃～1650℃)快速致密化，得到成本低廉、性能优异的C
f
/SiC复合材料。制备的C
f
/SiC复合材料显气孔率低、密度低，具有优异的力学、热学、抗氧
化性、耐磨损等性能，且因短切碳纤维的引入呈现各向同性，能够满足近净型、轻质高强的要求，可用于航空航天、军事能源等领域。
[0020]较佳的，所述脱脂处理的温度为700～1100℃，保温时间为0.5～2h，真空度为20～80Pa；优选地，升温速率为1～3℃本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种短切碳纤维增韧碳化硅复合材料的制备方法，其特征在于，包括：将短切碳纤维、硅烷偶联剂、无水乙醇、去离子水反应得到偶联剂接枝的短切碳纤维；将所述偶联剂接枝的短切碳纤维与高残碳率粘结剂的有机溶液经混合得到高残碳率粘结剂覆膜的短切碳纤维；将所述高残碳率粘结剂覆膜的短切碳纤维与碳化硅粉混合，得到混合粉体；将所述混合粉体经干压成型得到素坯，再经脱脂处理得到预制体；将所述预制体进行反应熔渗，得到所述短切碳纤维增韧碳化硅复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高残碳率粘结剂的残碳率为50%～65%，优选地，所述高残碳率粘结剂为酚醛树脂、环氧树脂和沥青树脂中的至少一种；所述高残碳率粘结剂的有机溶液中有机溶剂选自丙酮、甲苯和乙醇中的至少一种；所述短切碳纤维的长度为10～130 μm，直径为6～8 μm；所述硅烷偶联剂为氨丙基三乙氧基硅烷、3
‑
氨丙基三甲氧基硅烷、环氧基硅烷、三氨丙基甲基二乙氧基硅烷、N
‑
（β
‑
氨乙基
‑
γ
‑
氨丙基）甲基二甲氧基硅烷中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述短切碳纤维、硅烷偶联剂、无水乙醇、去离子水的添加量为50g：（0.5～3）g：（60～90）mL：（40～10）mL。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述反应的温度为60～85℃，时间为2～4.5 h...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄政仁，陈晓，殷杰，刘学建，陈忠明，姚秀敏，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：