[發(fā)明專利]基于液硅熔滲法制備碳陶基復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能控制方法

有效

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• 申請日: 2013-06-04
• 公開（公告）號: CN103332943A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 沙建軍;代吉祥;張兆甫;張玉翠
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/622
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 賈漢生;李馨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及碳陶基復(fù)合材料的制備方法，特別是基于液硅熔滲法制備碳陶基復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能控制方法。

背景技術(shù)

碳陶基復(fù)合材料相對于碳/碳復(fù)合材料而言，主要區(qū)別在于采用抗氧化性能優(yōu)異的陶瓷基取代了碳/碳復(fù)合材料中的部分碳基體，從而在保持碳/碳復(fù)合材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)上顯著改善了基體的抗氧化性能。因此碳陶基復(fù)合材料除了具備碳/碳復(fù)合材料的耐高溫、高比強(qiáng)度、高比模量、低熱膨脹系數(shù)、優(yōu)異的高溫?zé)崃W(xué)穩(wěn)定性等一系列優(yōu)良性能外，還具有基體致密度高、耐熱震、抗燒蝕、熱化學(xué)穩(wěn)定性好等特性，是一種集結(jié)構(gòu)承載和耐氧化/燒蝕為一體的輕質(zhì)新型復(fù)合材料，在航空航天飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)、高性能制動(dòng)系統(tǒng)和裝甲等領(lǐng)域內(nèi)擁有巨大的應(yīng)用潛力。

但是不同的技術(shù)領(lǐng)域?qū)μ继栈鶑?fù)合材料的性能要求有所不同，這就需要對碳陶基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能有較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性。但到目前為止，還沒有通過對碳纖維進(jìn)行處理來實(shí)現(xiàn)對最終碳陶基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能調(diào)控的相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于基于液硅熔滲法制備碳陶基復(fù)合材料的技術(shù)路線，提供一種碳陶基復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能控制方法。

具體實(shí)施方案如下：

一種基于液硅熔滲法制備碳陶基復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能控制方法，其特征在于，包括下述步驟：

（a）對二維碳纖維布進(jìn)行處理以獲得不同表面活性能的二維碳纖維布，作為制備碳陶基復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維；

（b）將步驟（a）獲得的二維碳纖維布浸入到酚醛樹脂膠液中進(jìn)行充分浸漬，干燥后，在模具中對獲得的纖維布進(jìn)行連續(xù)疊加鋪層，并在疊加鋪層后進(jìn)行固化和后固化處理，制備不同纖維/樹脂結(jié)合強(qiáng)度的纖維增強(qiáng)素坯體；

（c）將步驟（b）獲得的纖維增強(qiáng)素坯體置于高溫石墨爐內(nèi)，在氮?dú)夥諊屑訜岬?00℃以上進(jìn)行高溫裂解，制備不同微結(jié)構(gòu)的碳/碳預(yù)制體；

（d）將步驟（c）獲得的碳/碳預(yù)制體置于高溫石墨爐內(nèi)，在1450-1550℃進(jìn)行液硅滲透，制備不同微觀形貌、基體組織成分和性能的碳陶基復(fù)合材料。

本發(fā)明的技術(shù)思想如下：

采取液硅熔滲法制備碳陶基復(fù)合材料時(shí)，經(jīng)常采用碳/碳多孔體作為預(yù)制體，因此碳/碳多孔體的微結(jié)構(gòu)特征直接決定著最終碳陶基復(fù)合材料的微觀形貌、基體組織成分和關(guān)鍵性能。而碳/碳多孔體的微結(jié)構(gòu)特征則強(qiáng)烈依賴于高溫裂解前的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中纖維/樹脂界面結(jié)合強(qiáng)度。纖維/樹脂之間結(jié)合強(qiáng)弱主要受纖維表面性能（包括表面形態(tài)結(jié)構(gòu)、比表面積、活性比表面積、表面能和表面官能團(tuán)等）影響，對碳纖維進(jìn)行處理可以有效改變纖維表面活性能。通過采取有效的纖維處理方式，可以改變碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中纖維/樹脂結(jié)合強(qiáng)度，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對最終碳陶基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控。因此，可以通過對增強(qiáng)相纖維進(jìn)行特定處理以達(dá)到對碳陶基復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)和性能控制的目的。

在步驟（a）中，作為纖維處理方式，優(yōu)選如下兩種處理方式中的一種：

（1）在氮?dú)夥諊袑ΧS碳纖維布進(jìn)行熱處理，熱處理溫度為600-1500℃，熱處理時(shí)間為30-60分鐘，氮?dú)鈮簭?qiáng)為1×10²-1×10³Pa。

通過采用該方式，纖維中的含氧官能團(tuán)（如羧基、羥基等）分解，纖維的氧含量降低，纖維表面的極性官能團(tuán)變少，纖維表面活性能降低。

（2）采用均勻彌散碳納米管的酚醛樹脂膠液對二維碳纖維布進(jìn)行浸漬，浸漬完成后干燥，其中酚醛樹脂膠液中碳納米管與酚醛樹脂的質(zhì)量比為0.02-0.04:1。

通過采用該方式，碳納米管嫁接到纖維束和纖維鋪層之間，改變了纖維/纖維束表面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其與基體材料的浸潤性及界面黏接強(qiáng)度發(fā)生變化，得到不同纖維/基體結(jié)合強(qiáng)度的素坯體。此外，在采用方式（2）時(shí)，由于已經(jīng)采取均勻彌散碳納米管的酚醛樹脂膠液進(jìn)行浸漬、干燥，因而可以省略步驟（b）中這一浸漬干燥過程。

二維碳纖維布可以采用不同表面結(jié)構(gòu)和活性能的碳纖維類型，例如可以使用日本東麗公司生產(chǎn)的T300和T700纖維布（編織方向優(yōu)選0/90度編織）。

在步驟（b）中，酚醛樹脂膠液優(yōu)選是以酚醛樹脂與無水乙醇質(zhì)量比為1:0.6-0.8配制而成的。此外，纖維布鋪層結(jié)束后優(yōu)選在施加2-3MPa的壓力下依次進(jìn)行固化和后固化處理，其中，固化條件優(yōu)選為：溫度120-140℃、時(shí)間6-8小時(shí)；后固化條件優(yōu)選為：溫度180-200℃、時(shí)間為20-25小時(shí)。