[發(fā)明專利]一種高導(dǎo)熱CNTs定向改性陶瓷基復(fù)合材料的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910083427.5
• 申請日: 2019-01-29
• 公開（公告）號: CN109627029B
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王晶;劉永勝;李精鑫;曹立陽;成來飛
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/84
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發(fā)明涉及一種高導(dǎo)熱CNTs定向改性陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，將預(yù)制體在高溫爐中進(jìn)行界面層與基體制備，使預(yù)制體的相對密度達(dá)到30％～70％；利用超短脈沖激光制備陶瓷基復(fù)合材料厚度方向定向孔；利用超聲分散制成CNTs溶液，結(jié)合真空浸漬法封填形成CNTs定向柱；利用CVI法進(jìn)一步致密預(yù)制體，最終獲得高導(dǎo)熱CNTs定向改性陶瓷基復(fù)合材料。該工藝的優(yōu)點(diǎn)：(1)高導(dǎo)熱的CNTs定向柱結(jié)構(gòu)極大地提高了復(fù)合材料的厚度方向的熱導(dǎo)率；(2)CNTs層間分散結(jié)構(gòu)與CNTs定向柱形成了強(qiáng)大的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，提高復(fù)合材料整體導(dǎo)熱性；(3)定向孔具有設(shè)計(jì)性，可根據(jù)工程需求設(shè)計(jì)尺寸、間距及分布，操作簡單。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，涉及一種高導(dǎo)熱CNTs定向改性陶瓷基復(fù)合材料的制備方法。具體是結(jié)合超短脈沖激光在預(yù)制體厚度方向設(shè)計(jì)加工的定向孔，采用真空浸漬CNTs溶液工藝對陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行改性，在陶瓷基復(fù)合材料內(nèi)部形成CNTs定向封填柱與CNTs層間分散結(jié)構(gòu)，最終構(gòu)建了CNTs導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，所制備的改性陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)異的致密性與導(dǎo)熱性，相對密度提高10～33％，熱導(dǎo)率提高10～40倍。

背景技術(shù)

陶瓷基復(fù)合材料是一種集金屬材料、陶瓷材料和纖維材料性能于一體的熱結(jié)構(gòu)/功能一體化材料，廣泛應(yīng)用于航空和航天發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件、空天飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)、深空探測超輕結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。新一代高超聲速飛行器的研制已將陶瓷基復(fù)合材料作為首選設(shè)計(jì)用防熱結(jié)構(gòu)材料，主要用于飛行器的關(guān)鍵熱結(jié)構(gòu)。當(dāng)飛行器的飛行速度達(dá)到5Ma以上時(shí)，其氣動(dòng)加熱可產(chǎn)生2000℃以上的高溫及高的熱梯度。由于陶瓷基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率僅為～10W/m·K，這些熱載荷極易集中在防熱結(jié)構(gòu)的尖端部位，造成超高溫?zé)釤g，引起防熱材料過快失效。因此，本領(lǐng)繼續(xù)研發(fā)一種高導(dǎo)熱陶瓷基復(fù)合材料，通過提高防熱結(jié)構(gòu)材料的導(dǎo)熱率，將局部過高的熱載荷快速傳遞到低溫區(qū)域，從而降低超高溫?zé)g對局部結(jié)構(gòu)的損傷，提高防熱效果和壽命。

目前美國Amoco公司和日本Mitsubishi Chemical公司開發(fā)研制的商業(yè)化高導(dǎo)熱中間相瀝青纖維走在世界的前沿，高熱導(dǎo)率源于沿纖維軸向微晶的高度擇優(yōu)取向結(jié)構(gòu)，但其關(guān)鍵原材料中間相瀝青基碳纖維及中間相瀝青屬于戰(zhàn)略物資，并對我國技術(shù)封鎖。因此，利用高導(dǎo)熱材料對陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行改性成為了主流方向。Gong MQ等利用漿料浸漬將CNTs滲透到單層碳纖維布中，之后將每層纖維布進(jìn)行疊層、壓制，制備了CNTs-碳纖維多尺度預(yù)制體，但CNTs總體分散不均勻。美國特拉華大學(xué)復(fù)合材料中心的Bekyarova等利用電泳沉積制備了CNTs在碳纖維表面分散均勻的多尺度預(yù)制體，表明該工藝可實(shí)現(xiàn)多尺度預(yù)制體工程規(guī)模生產(chǎn)，但CNTs與碳纖維之間只是簡單的物理附著，容易脫落。2009年Chen等在Materials Chemistry and Physics利用原位生長CNTs誘導(dǎo)生成的粗糙層熱解碳導(dǎo)致C/C復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能大幅提高，但不適于批量化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種高導(dǎo)熱CNTs定向改性陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，解決陶瓷基復(fù)合材料導(dǎo)熱性差的技術(shù)問題，提供了一種可實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用量產(chǎn)的高導(dǎo)熱CNTs定向改性陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法，顯著提升陶瓷基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。

技術(shù)方案

一種高導(dǎo)熱CNTs定向改性陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟如下：

步驟1、陶瓷基復(fù)合材料預(yù)制體的制備：將纖維二維依次疊層縫合后，獲得體積分?jǐn)?shù)約為25～35％的纖維預(yù)制體；將纖維預(yù)制件置于高溫真空爐中，沉積溫度850～1000℃，氣氛壓力0.2KPa，丙烯流量30ml/min，Ar流量300ml/min，沉積50～60h冷卻后制備復(fù)合材料界面；