[發明專利]一種SiC納米線增強SiC陶瓷基復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202210189502.8
• 申請日: 2022-02-28
• 公開（公告）號: CN114573357A
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 楊麗霞;丁揚;陳照峰
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/571;C04B35/622;C04B35/626;C04B35/63;C04B35/64
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本發明公開了一種SiC納米線氣凝膠增強SiC陶瓷基復合材料及其制備方法。本發明的制備方法包括如下步驟：首先采用化學氣相沉積法制備SiC納米線，然后采用纖維凍結成型方法將SiC納米線自組裝成層狀結構、纖維緊密交聯纏繞的SiC納米線氣凝膠，再通過化學氣相滲透在SiC納米線表面沉積熱解碳界面涂層，最后采用真空壓力輔助先驅體浸漬熱解法，在SiC納米線氣凝膠中原位復合SiC基體。本發明利用SiC納米線氣凝膠的交聯網絡結構與微納米多級孔隙分布顯著提高SiC陶瓷力學性能，滿足航空航天領域高溫裝備用輕質高強結構材料需求。

技術領域

本發明涉及一種陶瓷基復合材料及其制備方法，特別涉及一種SiC納米線增強SiC陶瓷基復合材料及其制備方法。

背景技術

SiC陶瓷具有抗氧化性能強、熱穩定性能強、熱膨脹系數小、抗輻照性能好、耐磨、耐腐蝕，已廣泛應用于航空航天、軍事、汽車等領域。但是由于SiC陶瓷的高硬度，質地較脆的特性，導致其加工性、應用性較差，這在很大程度上限制了SiC陶瓷在力學性能要求較高的范圍內使用，例如發動機的渦輪葉片、防彈裝甲等。

SiC納米線具備柔韌性、彈性、高楊氏模量和拉伸強度，最大彎曲強度可達驚人的53.4GPa，是碳纖維的十倍，因此可作為一種優異的納米增強體，被廣泛應用于復合材料中。將SiC納米線引入SiC陶瓷基體中形成SiC陶瓷復合材料，可以讓兩者優勢互補，增加強度的同時還可以提高斷裂韌性，但是如果簡單地將SiC納米線直接引入SiC陶瓷基體中，由于二者物理化學性質極其相似，導致結合強度過高，不能充分將發揮SiC納米線的韌性，導致脆性改善不佳。再者，若SiC納米線在SiC陶瓷基體中復合不均勻，會引起空洞等缺陷，反而會降低SiC陶瓷復合材料的強度。申請號為202010876982.6的中國專利公開了一種SiC納米線增強SiC陶瓷，其優點在于采用碳涂層包覆來降低SiC納米線與SiC陶瓷基體之間的結合強度，改善了陶瓷的脆性。但是在SiC納米線與SiC陶瓷基體的復合過程中不能保證SiC納米線均勻的復合在SiC陶瓷基體中，有可能大幅降低陶瓷基復合材料的強度。

發明內容

本發明的目的旨在克服現有技術的不足，提供一種SiC納米線增強SiC陶瓷基復合材料及其制備方法，該方法制得的SiC納米線纖維增強SiC復合材料具有低密度、耐高溫、優異的力學性能等。

為實現上述目的，本發明提供了一種SiC納米線纖維增強SiC復合材料，體積密度小于2.4g/cm³，由SiC納米線氣凝膠、熱解碳界面層與SiC基體組成，其特征在于采用化學氣相沉積法制備SiC納米線，采用纖維凍結成型方法將SiC納米線自組裝成層狀結構、纖維緊密交聯纏繞的SiC納米線氣凝膠，再通過化學氣相滲透在SiC納米線表面沉積熱解碳界面涂層，最后采用真空壓力輔助先驅體浸漬熱解法，在SiC氣凝膠中原位復合SiC基體。所述的SiC納米線，長度為20nm～2cm，直徑為10～100nm；所述的SiC納米線氣凝膠孔隙率75～96％，熱解碳界面層厚度為10～500nm，SiC納米線體積分數3～20％。

一種SiC納米線氣凝膠增強SiC陶瓷基復合材料的制備方法，包括以下順序步驟：

(1)將聚碳硅烷、二茂鐵、活性炭混合，再球磨得到均勻的粉末先驅體，然后將粉末先驅體倒入石墨坩堝，放入高溫燒結爐，升溫到1200～1700℃生長SiC納米線；

(2)將步驟(1)中的SiC納米線加入到去離子水中，經超聲形成均勻的分散液，將分散液加熱，并在攪拌中加入聚乙烯醇溶液，將該溶液冷卻至室溫并加入肌醇六磷酸，得到膠體溶液，其中分散液、聚乙烯醇、肌醇六磷酸的體積比為100∶10～25∶0.5～2；

(3)將步驟(2)中的膠體溶液倒入模具中，進行液氮浴冷凍，然后冷凍干燥，即可得到SiC納米線氣凝膠，冷凍干燥溫度為-80～-20℃、冷凍干燥時間為2～10天；