碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法技术

碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法。本发明专利技术涉及短碳纤维增强的硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法。本发明专利技术是要解决现有的纤维增强硅硼碳氮陶瓷复合材料制备工艺复杂、成本高以及由于界面结合过强导致的纤维强韧化效果不明显的问题。产品：由短碳纤维、酚醛树脂、丙酮和硅硼碳氮陶瓷复合粉末制备而成。方法：一、将酚醛树脂溶解在丙酮中，配制成浸渍溶液；二、将短碳纤维放入浸渍溶液中浸渍，然后在氩气气氛下裂解，得到碳涂层包覆的短碳纤维；三、将硅粉、石墨和六方氮化硼放入球磨机中球磨混合，得到复合粉末；四、将碳涂层包覆的短碳纤维与复合粉末球磨混合后进行热压烧结，得到碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及短碳纤维增强的硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法。
技术介绍
硅硼碳氮陶瓷复合材料本身的共价键结构赋予其较高的热稳定性、抗高温氧化、抗高温蠕变等性能，加之其具有密度低、弹性模量低等优点，是一种新型的多功能高温防热材料，用于航天器的机头锥帽、机翼前缘、舵面、盖板和喷管等。然而，陶瓷本身的高共价键性又使其成为一种本质脆性材料，在使用过程中容易产生缺陷，导致灾难性的破坏，在一定程度上限制了其应用范围。因此，陶瓷的强韧化技术一直备受研究人员的关注。碳纤维不仅具有高比强度、高比模量、高热导率、低热膨胀系数、抗热震、耐腐蚀等优点，而且高温强度高，是1500°C以上高温惰性环境中唯一强度不下降的纤维材料。但是在氧化气氛下，不受保护的碳纤维在高于400°C温度下，会迅速氧化，从而失去强韧化作用。 与硅硼碳氮陶瓷复合材料的制备相类似，纤维或颗粒增强硅硼碳氮陶瓷复合材料的制备方法也以有机先驱体浸溃-转化法居多，如See Hoon Lee (Processing andproperties of C-SiBCN fiber-reinforced ceramic matrix composites preparedby precursor impregnation and pyrolysis[J].Acta Materialia, 2008, 56:1529 ~1538), M.Weinmann (Cfiber/SiCfiller/S1-B-C-Nmatrix composites with extremely highthermal stability [J].Acta Materialia, 2009，57:4374 ~4381)，王秀军(碳纤维增强SiBCN陶瓷基复合材料的制备及性能[J].宇航材料工艺，2013，43(2): 47~51)等人在文献中做过相关报道。但是，有机先驱体浸溃-转化法具有有机原料有毒、成本高、工艺复杂、裂解导致材料中残留大量孔隙等缺点。另外，纤维增强复合材料的力学性能不仅与纤维和基体本身的性能有关，而且与纤维和基体之间的界面结构有关。碳纤维增强的硅硼碳氮复合材料中纤维与基体之间界面反应强烈，导致界面结合过强，过载条件下纤维和基体同时断裂，从而材料的断裂韧性不够高，即纤维的强韧化效果不明显。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有的纤维增强硅硼碳氮陶瓷复合材料制备工艺复杂、成本高以及由于界面结合过强导致的纤维强韧化效果不明显的问题，而提供了。本专利技术的碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料由短碳纤维、酚醛树脂、丙酮和硅硼碳氮陶瓷复合粉末制备而成；所述的硅硼碳氮陶瓷复合粉末由硅粉、石墨和六方氮化硼粉体球磨混合而成；所述的短碳纤维与酚醛树脂的质量比为1: (I~12);所述的酚醛树脂的质量与丙酮的体积的比为(10~60) g:1L ;所述的短碳纤维与硅硼碳氮陶瓷复合粉末的体积比为(5~35):100 ;所述的硅粉与石墨的质量比为1:(0.1~1.5);所述的硅粉与六方氮化硼粉体的质量比为1:(0.1~1.2);所述的短碳纤维长度为1mm~2mm，单丝直径为6um~ 7um ;所述的硅粉纯度为99%~99.9%，粒径为I y m~20 y m ;所述的石墨纯度为99%~99.9%，粒径为I ii m~20 ii m ;所述的六方氮化硼粉体纯度为99%~99.9%，粒径为I U m ~20 u m0本专利技术的碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料的制备方法按照以下步骤进行:一、将酚醛树脂溶解在丙酮中，配制成碳涂层先驱体浸溃溶液；所述的酚醛树脂的质量与丙酮的体积的比为(10~60) g:1L ;二、将短碳纤维放在无水乙醇中，在超声频率为20KHz~50KHz下振荡25min~35min，然后置入干燥箱中，在温度为90~110°C下干燥30min~200min，然后放入步骤一中得到的碳涂层先驱体浸溃溶液中，在超声频率为20KHz~50KHz下浸溃15min~25min，取出后自然干燥，然后放入高温管式炉中，在氩气气氛保护和温度为500~1000°C的条件下，裂解20min~120min，得到碳涂层包覆的短碳纤维；步骤二中所述的碳涂层包覆的短碳纤维中短碳纤维的质量分数为70%~95% ;步骤二中所述的短碳纤维与步骤二中的碳涂层先驱体浸溃溶液中酚醛树脂的质量之比为1:(1~12);三、将硅粉、石墨和六方氮化硼放入球磨机中，以球料比为20:1球磨45h~55h，得到硅硼碳氮陶瓷复合粉末；所述的硅粉与石墨的质量比为1: (0.1~1.5);所述的硅粉与六方氮化硼粉体的质量比为1: (0.1~1.2);所述的硅粉的纯度为99.9%，粒径为I y m~20 ii m ;所述的石墨的纯度为99.0%,粒径为I ii m~20 ii m ;所述的六方氮化硼的纯度为99.0%,粒径为I ii m~20 ii m ;所述的磨球直径为IOmm ；四、将步骤二中得到的碳涂层包覆的短碳纤维与硅硼碳氮陶瓷复合粉末在球料比为20:1下球磨混合22h~26h，然后进行热压烧结，得到碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料；所述的步骤二中得到的碳涂层包覆的短碳纤维与步骤三中得到的硅硼碳氮陶瓷复合粉末的体积比为(5~35):100 ;所`述的热压烧结条件为:烧结温度为1400~2000°C，压力为IOMPa~80MPa，烧结气氛为真空或氮气，烧结时间为IOmin~60min。本专利技术的制备得到的碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料经分析测试可知，本专利技术的碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料的抗弯强度为69.0MPa~72.0MPa,弹性模量为54.0GPa~57.0GPa,断裂韧性为2.20MPa ? m1/2~2.40MPa ? m1/2，断裂过程中表现出伪塑性变形行为。本专利技术的碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料的平均热膨胀系数(RT~1200°C )约为1.6X10_6/K (明显于碳化硅陶瓷的热膨胀系数，4.6X10_6/K);具有较好的抗热震性，经过温差为1100°C的热震后，残余抗弯强度仍为原来强度的63.0~67.3% ;具有较好的耐烧蚀性能，氧-乙炔焰烧蚀实验(氧气、乙炔流量分别为25.2L/min、18.6L/min，烧蚀时间为20s)得出线烧蚀率 0.0400mm/s ~0.0422mm/s，质量烧蚀率为 0.0120mm/s ~0.0137mm/s。本专利技术的碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料具有较高的热稳定性和耐高温性能。本专利技术的碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料制备中所用原料易得价廉，工艺简单，制备周期短；本专利技术的碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料综合性能好，适于制造航天防热用核心零部件。【附图说明】图1为试验一得到的碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料的XRD图谱；其中▲为6H-SiC, 为 3C-SiC，?为 BCN，▼为 C ；图2为试验一得到的碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料的载荷位移曲线图；图3为试验二得到的碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料的XRD图谱；其中▲为6H-SiC, 实心为 3C-SiC，?为 BCN，▼为 C ；图4为试验二得到的碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料的载荷位移曲线图；【具体实施方式】【具体实施方式】一:本本文档来自技高网...

【技术保护点】
碳/碳纤维?硅硼碳氮陶瓷复合材料，其特征在于碳/碳纤维?硅硼碳氮陶瓷复合材料由短碳纤维、酚醛树脂、丙酮和硅硼碳氮陶瓷复合粉末制备而成；所述的硅硼碳氮陶瓷复合粉末由硅粉、石墨和六方氮化硼粉体球磨混合而成；所述的短碳纤维与酚醛树脂的质量比为1：（1～12）；所述的酚醛树脂的质量与丙酮的体积的比为（10～60）g：1L；所述的短碳纤维与硅硼碳氮陶瓷复合粉末的体积比为（5～35）：100；所述的硅粉与石墨的质量比为1：（0.1～1.5）；所述的硅粉与六方氮化硼粉体的质量比为1：（0.1～1.2）；所述的短碳纤维长度为1mm～2mm，单丝直径为6μm～7μm；所述的硅粉纯度为99%～99.9%，粒径为1μm～20μm；所述的石墨纯度为99%～99.9%，粒径为1μm～20μm；所述的六方氮化硼粉体纯度为99%～99.9%，粒径为1μm～20μm。

【技术特征摘要】
1.碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料，其特征在于碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料由短碳纤维、酚醛树脂、丙酮和硅硼碳氮陶瓷复合粉末制备而成；所述的硅硼碳氮陶瓷复合粉末由硅粉、石墨和六方氮化硼粉体球磨混合而成；所述的短碳纤维与酚醛树脂的质量比为1: (I~12);所述的酚醛树脂的质量与丙酮的体积的比为(10~60) g:1L ;所述的短碳纤维与硅硼碳氮陶瓷复合粉末的体积比为(5~35):100 ;所述的硅粉与石墨的质量比为1: (0.1~1.5);所述的硅粉与六方氮化硼粉体的质量比为1: (0.1~1.2);所述的短碳纤维长度为1mm~2mm,单丝直径为6 y m~7 y m ;所述的娃粉纯度为99%~99.9%,粒径为I U m ~ 20 u m ;所述的石墨纯度为99%~99.9%,粒径为I ii m~20 y m ;所述的六方氮化硼粉体纯度为99%~99.9%,粒径为I ii m~20 ii m。2.根据权利要求1所述的碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料，其特征在于所述的短碳纤维与酚醛树脂的质量比为1:(2~10);所述的酚醛树脂的质量与丙酮的体积的比为(20~50) g:1L ;所述的短碳纤维与硅硼碳氮陶瓷复合粉末的体积比为(8~32):100 ;所述的硅粉与石墨的质量比为1:(0.1~1.2);所述的硅粉与六方氮化硼粉体的质量比为1:(0.1 ~1.0)。3.根据权利要求1或2所述的碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料，其特征在于所述的短碳纤维与酚醛树脂的质量比为1:(3~9);所述的酚醛树脂的质量与丙酮的体积的比为(25~48) g:1L ;所述的短碳纤维与硅硼碳氮陶瓷复合粉末的体积比为(16~24):100 ；所述的硅粉与石墨的质量比为1: (0.15~0.75);所述的硅粉与六方氮化硼粉体的质量比为 1:(0.15 ~0.85)。4.如权利要求1所述的碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料的制备方法按照以下步骤进行: 一、将酚醛树脂溶解在丙酮中，配制成碳涂层先驱体浸溃溶液；所述的酚醛树脂的质量与丙酮的体积的比为(10~60) g:1L ; 二、将短碳纤维放在无水乙醇中，在超声频率为20KHz~50KHz下振荡25min~35min，然后置入干燥箱中，在温度为90~110°C下干燥30min~200min，然后放入步骤一中得到的碳涂层先驱体浸溃溶液中，在超声频率为20KHz~50KHz下浸溃15min~25min，取出后自然干燥，然后放入高温管式炉中，在氩气气氛保护和温度为500~1000°C的条件下，裂解.20min~120min，得到碳涂层包覆的短碳纤维；步骤二中所述的碳涂层包覆的短碳纤维中短碳纤维的质量分数为70%~95% ;步骤二中所述的短碳纤维与步骤二中的碳涂层先驱体浸溃溶液中酚醛树脂的质量之比为1:(1~12); 三、将硅粉、石墨和六方氮化硼放入球磨机中，以球料比为20:1球磨45h~55h，得到硅硼碳氮陶瓷复合粉末；步骤三中...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨治华，贾德昌，潘丽君，王胜金，段小明，梁斌，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：