[發明專利]一種碳纖維增強陶瓷基復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201710649871.X
• 申請日: 2017-08-02
• 公開（公告）號: CN107500796A
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發明（設計）人: 劉偉;魏健;江昊;劉杰;薛倩
• 申請（專利權）人: 六安成邦新材料有限公司
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/46;C04B35/52;C04B35/573;C04B35/622
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技術領域

本發明涉及復合材料領域，具體涉及一種碳纖維增強陶瓷基復合材料及其制備方法。

背景技術

隨著新型發動機的研制和新概念航天運載器的發展，對高溫結構材料提出了更高的要求。纖維增強陶瓷基復合材料因在高溫下具有高強度、高韌性、耐高溫、抗腐蝕性好和低密度等優良性能，在戰略武器和空間技術等領域具有廣泛的應用前景，近年來越來越受到材料工作者的重視。

陶瓷材料具有良好的高溫強度、高溫穩定性和高溫抗氧化能力，但由于其分子結構的鍵合特點，缺乏塑性變形能力，表現為脆性，嚴重影響了其作為結構材料的應用。碳纖維擁有良好的高溫力學性能和熱性能，在惰性環境中超過2000℃仍能保持其力學性能不降低。用碳纖維增強陶瓷，材料在斷裂過程中通過裂紋偏轉、纖維斷裂和纖維拔出等機理吸收能量，既增強了材料的強度和韌性，又保持了陶瓷良好的高溫性能。其中，應用最廣泛的碳纖維增強碳化硅復合材料缺點在于：碳纖維與碳化硅基體熱膨脹匹配不夠理想，碳化硅基體制備過程存在脫落裂紋等缺陷，影響復合材料的力學性能和熱性能，制約了復合材料的發展。

發明內容

本發明的目的在于提供一種碳纖維增強陶瓷基復合材料及其制備方法，用以解決現有技術中的碳纖維增強碳化硅陶瓷材料本身缺陷導致力學性能和熱學性能差的問題。

本發明提供了一種碳纖維增強陶瓷基復合材料，所述碳纖維為三維針織編織體，所述基體由3-4層碳、碳化硅和氧化鈦依次疊層而成，最外層為氧化鈦，保證復合材料的抗氧化性能。

本發明另一方面提供一種碳纖維增強陶瓷基復合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將碳纖維織物置于密閉容器中，抽真空后吸入酚醛樹脂/酒精溶液，直至浸沒織物；浸泡后取出，樣品轉移至高壓釜中，升溫并抽真空維持0.5～1h后加1～3MPa氣壓，保持1～2h后再升溫150～180℃進行預固化，之后升溫至190～230℃進行后固化，然后將樣品置于900～1200℃氮氣氣氛下中裂解2～4h，獲得熱解碳層；

(2)再將試樣置于密閉容器中，抽真空后吸入60～90℃的聚碳硅烷/乙烯基苯溶液，浸沒編織物，浸泡后取出，樣品轉移至高壓釜中升溫，抽真空0.5～1h后，加1～3MPa氣壓1～2h，并升溫至150～200℃進行固化4～8h，然后將樣品置于1100～1300℃氮氣氣氛下裂解2～4h，獲得熱解碳化硅層；

(3)再將試樣置于密閉容器中，抽真空后吸入鈦酸脂/醇類溶液，浸沒編織物，浸泡后取出，樣品轉移至高壓釜中升溫，抽真空0.5～1h后，加1～3MPa氣壓1～2h，并升溫至150～200℃進行固化2～4h，然后將樣品置于700～900℃氮氣氣氛下裂解2～3h；

(4)依次重復步驟(1)和(2)各2～5次；

(5)重復步驟(3)1～2次，獲得復合材料。

進一步的，所述鈦酸脂為鈦酸四丁脂、鈦酸四乙脂、鈦酸乙脂、鈦酸四異丙脂中的一種或幾種的混合物。

采用上述本發明技術方案的有益效果是：

本方法在碳纖維表面制備熱解碳，緩解碳纖維和陶瓷基體之間熱膨脹系數的差異；在碳化硅層外表面制備氧化鈦，氧化鈦在高溫時為熔融狀態，填充碳化硅裂紋等缺陷，增加了基體的致密性；基體的最外層設置氧化鈦，氧分子在氧化鈦中的擴散速率非常低，進一步提高了抗氧化性能。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。

實施例1

本實施例提供一種碳纖維增強陶瓷基復合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將酚醛樹脂攪拌溶解在酒精中，將碳纖維織物置于密閉容器中，抽真空后吸入酚醛樹脂/酒精溶液，直至浸沒織物；浸泡后取出，樣品轉移至高壓釜中，升溫至60℃并抽真空維持0.5h后加1MPa氣壓，保持1h后再升溫150℃進行預固化，之后升溫至190℃進行后固化，然后將樣品置于900℃氮氣氣氛下中裂解2h，獲得熱解碳層；

(2)將聚碳硅烷攪拌溶解在乙烯中，再將步驟(1)所得試樣置于密閉容器中，抽真空后吸入60℃的聚碳硅烷/乙烯基苯溶液，浸沒編織物，浸泡后取出，樣品轉移至高壓釜中升溫，抽真空0.5h后，加1MPa氣壓1h，并升溫至150℃進行固化4h，然后將樣品置于1100℃氮氣氣氛下裂解2h，獲得熱解碳化硅層；