專利名稱：一種在C/SiC復(fù)合材料中原位生長(zhǎng)β-SiC納米纖維的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種在C/SiC復(fù)合材料中原位生長(zhǎng)β-SiC納米纖維的方法。
背景技術(shù)：
碳纖維增強(qiáng)碳化硅(C/SiC)復(fù)合材料具有耐高溫、低密度、高性能和抗氧化等顯著優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的高溫結(jié)構(gòu)防熱一體化材料，可被廣泛的用于航天、航空、高速列車、先進(jìn)導(dǎo)彈武器、核聚變能源等高科技領(lǐng)域，顯示出潛在的、巨大應(yīng)用前景。碳纖維具有極高的比強(qiáng)度和比模量，優(yōu)良的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性、耐腐蝕性以及在還 原性氣氛中良好的耐高溫性能，被廣泛用作復(fù)合材料的增強(qiáng)(增韌)相。但是，傳統(tǒng)的C/C或C/SiC復(fù)合材料中，氈體中炭纖維無(wú)論采用3D或4D編織，其強(qiáng)度、韌性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等力學(xué)或物理性能，都存在很大的各向異性。SiC納米纖維的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其本體的強(qiáng)度，碳化硅納米纖維具有優(yōu)越的力學(xué)、熱學(xué)及電學(xué)性能和高的物理化學(xué)穩(wěn)定性等特性，同樣可以作為塑料、金屬、陶瓷等復(fù)合材料的增強(qiáng)相。在復(fù)合材料制備過(guò)程中加入SiC納米纖維來(lái)以提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性。加入SiC納米纖維前后，復(fù)合材料的最大斷裂韌性由9. 5 ± I. 5MPa · ml/2 增加至 20. 3 ±2. OMPa · ml/2 增加 114%。WongE W 等已經(jīng)通過(guò)原子力顯微鏡證實(shí)了碳化硅納米棒具有很高的楊氏模量；Yang等采用化學(xué)氣相滲透(CVI)法制備SiC纖維原位增強(qiáng)的陶瓷復(fù)合材料，取得了很好的增強(qiáng)效果。然而，利用先驅(qū)體浸潰裂解法制備復(fù)合材料的過(guò)程中原位生成SiC納米纖維還未見(jiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在C/SiC復(fù)合材料中原位生長(zhǎng)β -SiC納米纖維的方法，其工藝簡(jiǎn)單、耗時(shí)短，可以在前驅(qū)體裂解的過(guò)程中得到β-SiC納米纖維，充分發(fā)揮其力學(xué)和物理性能，改善材料的各向異性，提高復(fù)合材料的使用性能。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案一種在C/SiC復(fù)合材料中原位生長(zhǎng)β -SiC納米纖維的方法，其包括如下步驟(I)將碳纖維織物在管式爐中脫膠除去表面環(huán)氧樹(shù)脂膠；加熱溫度在35(T450°C，保溫25 40min，氮?dú)獗Ｗo(hù)；將聚碳硅烷充分溶解于溶劑中，配成質(zhì)量百分比濃度在3(Γ40%聚碳硅烷溶液；所述的溶劑采用二甲苯、甲苯或四氫呋喃；(2)采用真空浸潰的方法將聚碳硅烷溶液浸潰碳纖維織物，真空度小于O. IMPa，浸潰時(shí)間2(T40min ;將浸潰碳纖維織物取出，在空氣中涼干，在管式爐中23(T250°C固化廣3小時(shí)；(3)將步驟(2)固化后的浸潰碳纖維織物在110(Γ1400 下高溫裂解f 2小時(shí)，得到陶瓷基復(fù)合材料。如上所述的一種在C/SiC復(fù)合材料中原位生長(zhǎng)β -SiC納米纖維的方法，其步驟(3)所述的升溫速率為5 15°C /min。如上所述的一種在C/SiC復(fù)合材料中原位生長(zhǎng)β-SiC納米纖維的方法，其所述的碳纖維種類為Τ300或Τ700或Τ800，編織方式為碳?xì)只蚨嘞蚓幙椃绞健１景l(fā)明的效果在于采用本發(fā)明方法可以在復(fù)合材料成型過(guò)程中原位生長(zhǎng)得到SiC納米纖維，利用碳纖維的良好力學(xué)和導(dǎo)電導(dǎo)熱性能的同時(shí)，充分發(fā)揮原位生長(zhǎng)納米碳化硅纖維的力學(xué)和物理特性，并以此作為傳統(tǒng)C/SiC復(fù)合材料的增強(qiáng)體，改善復(fù)合材料的各向異性，提高使用性倉(cāng)泛。本發(fā)明直接在制備復(fù)合材料的過(guò)程中原位生成SiC納米纖維，其主要構(gòu)型為β -SiC納米纖維，晶體結(jié)構(gòu)為立方結(jié)構(gòu)，形狀呈竹節(jié)狀，蘆葦狀。β — SiC納米纖維在耐溫性方面比α — SiC納米纖維要高的多，此方法工藝簡(jiǎn)單，易于控制，操作方便。 本發(fā)明所述的在C/SiC復(fù)合材料中原位生長(zhǎng)β-SiC納米纖維的方法，其優(yōu)點(diǎn)
(I)β-SiC納米纖維在孔洞處生長(zhǎng)，可防止基體開(kāi)裂，可以提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和斷裂韌性；(2)納米纖維的存在，對(duì)于后續(xù)的浸潰起到浸潤(rùn)的作用，有利于孔洞和微裂紋的減小，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了前驅(qū)體浸潰劑的均勻分布，減少缺陷，提高復(fù)合材料的使用性能；(3 )本方法是通過(guò)在復(fù)合材料復(fù)合過(guò)程中直接生成β — SiC納米纖維，工藝簡(jiǎn)單，易于控制，操作方便。


圖I為本發(fā)明制備的SiC基體的X射線衍射圖譜。圖2為本發(fā)明制備的β - SiC納米纖維的掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的一種在C/SiC復(fù)合材料中原位生長(zhǎng)β -SiC納米纖維的方法作進(jìn)一步描述。實(shí)施例I本發(fā)明所述的一種在C/SiC復(fù)合材料中原位生長(zhǎng)β-SiC納米纖維的方法，其包括如下步驟(I)將3Κ-Τ300碳纖維編織成正交三向碳纖維織物(5*5*5mm)，將碳纖維織物放入管式爐中加熱至400° C (氮?dú)獗Ｗo(hù))保溫30min除去表面環(huán)氧樹(shù)脂膠。將聚碳硅烷(PCS)充分溶解于二甲苯溶劑中，配成質(zhì)量百分比濃度為30%聚碳硅烷溶液。(2)將碳纖維織物放入真空浸潰罐中，倒入200ml聚碳硅烷溶液(至少?zèng)]過(guò)碳纖維織物)，然后抽真空，讓聚碳硅烷溶液充分浸入碳纖維織物中，真空度小于O. IMpa，浸潰時(shí)間30min ;取出浸潰碳纖維織物在空氣中涼干，在管式爐中240° C固化2小時(shí)。(3)將步驟(2)固化后的浸潰碳纖維織物，在真空爐充入Ar氣，爐中以10° C/min的升溫速率加熱至1100° C恒溫lh，然后隨爐冷卻至室溫。對(duì)得到的陶瓷基復(fù)合材料基體進(jìn)行X射線衍射分析，主要得到β相SiC，如圖I所示。含基體的織物對(duì)其進(jìn)行噴金3min，進(jìn)行掃描電鏡觀察，形貌如圖2所示，可見(jiàn)SiC納米纖維，多數(shù)纖維約長(zhǎng)幾十個(gè)微米，直徑約為幾十納米。實(shí)施例2本發(fā)明所述的一種在C/SiC復(fù)合材料中原位生長(zhǎng)β-SiC納米纖維的方法，其包括如下步驟(I)將6Κ-Τ700碳纖維編織成碳?xì)?，然后將該碳纖維織物放入管式爐中加熱至350° C (氮?dú)獗Ｗo(hù))保溫40min除去表面環(huán)氧樹(shù)脂膠。將聚碳硅烷(PCS)充分溶解于甲苯溶劑中，配成質(zhì)量百分比濃度為35%聚碳硅烷溶液。(2)將碳纖維織物放入真空浸潰罐中，倒入200ml聚碳硅烷溶液(至少?zèng)]過(guò)碳纖維 織物)，然后抽真空，讓聚碳硅烷溶液充分浸入碳纖維織物中，真空度小于O. IMpa，浸潰時(shí)間20min ;取出浸潰碳纖維織物在空氣中涼干，在管式爐中230°C固化3小時(shí)。(3)將步驟(2)固化后的浸潰碳纖維織物，在真空爐充入Ar氣，爐中以5° C/min的升溫速率加熱至1200°C恒溫2h，然后隨爐冷卻至室溫，得到陶瓷基復(fù)合材料。實(shí)施例3本發(fā)明所述的一種在C/SiC復(fù)合材料中原位生長(zhǎng)β-SiC納米纖維的方法，其包括如下步驟(I)將3Κ-Τ800碳纖維編織成二維碳纖維織物，然后將該碳纖維織物放入管式爐中加熱至450° C (氮?dú)獗Ｗo(hù))保溫25min除去表面環(huán)氧樹(shù)脂膠。將聚碳硅烷(PCS)充分溶解于四氫呋喃溶劑中，配成質(zhì)量百分比濃度為40%聚碳硅烷溶液。(2)采用真空浸潰的方法將聚碳硅烷溶液浸潰碳纖維織物，真空度小于O. IMpa，浸潰時(shí)間40min ;將浸潰碳纖維織物取出，在空氣中涼干，在管式爐中250°C固化I小時(shí)；(3)將步驟(2)固化后的浸潰碳纖維織物，在真空爐充入Ar氣，爐中以15°C /min的升溫速率加熱至1400°C恒溫lh，然后隨爐冷卻至室溫，得到陶瓷基復(fù)合材料。實(shí)施例4本發(fā)明所述的一種在C/SiC復(fù)合材料中原位生長(zhǎng)β-SiC納米纖維的方法，其包括如下步驟(I)將6Κ-Τ300碳纖維編織成正交三向碳纖維織物(5*5*5mm)，將碳纖維織物放入管式爐中加熱至400° C (氮?dú)獗Ｗo(hù))保溫30min除去表面環(huán)氧樹(shù)脂膠。將聚碳硅烷(PCS)充分溶解于二甲苯溶劑中，配成質(zhì)量百分比濃度為30%聚碳硅烷溶液。(2)將碳纖維織物放入真空浸潰罐中，倒入200ml聚碳硅烷溶液(至少?zèng)]過(guò)碳纖維織物)，然后抽真空，讓聚碳硅烷溶液充分浸入碳纖維織物中，真空度小于O. IMpa，浸潰時(shí)間35min ;取出浸潰碳纖維織物在空氣中涼干，在管式爐中240° C固化2小時(shí)。(3)將步驟(2)固化后的浸潰碳纖維織物，在真空爐充入Ar氣，爐中以10° C/min的升溫速率加熱至1200° C恒溫I. 5h，然后隨爐冷卻至室溫。
權(quán)利要求
1.一種在C/SiC復(fù)合材料中原位生長(zhǎng)3-SiC納米纖維的方法，其特征在于該方法包括如下步驟 (1)將碳纖維織物在管式爐中脫膠除去表面環(huán)氧樹(shù)脂膠；加熱溫度在35(T450°C，保溫25 40min，氮?dú)獗Ｗo(hù)； 將聚碳硅烷充分溶解于溶劑中，配成質(zhì)量百分比濃度在3(T40%聚碳硅烷溶液；所述的溶劑采用二甲苯、甲苯或四氫呋喃； (2)采用真空浸潰的方法將聚碳硅烷溶液浸潰碳纖維織物，真空度小于0.IMpa，浸潰時(shí)間2(T40min ;將浸潰碳纖維織物取出，在空氣中涼干，在管式爐中23(T250°C固化廣3小時(shí)； (3)將步驟(2)固化后的浸潰碳纖維織物在110(Tl40(rC下高溫裂解f2小時(shí)，得到陶瓷基復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種在C/SiC復(fù)合材料中原位生長(zhǎng)P-SiC納米纖維的方法，其特征在于步驟(3)所述的升溫速率為5 15°C /min。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種在C/SiC復(fù)合材料中原位生長(zhǎng)0-SiC納米纖維的方法，其特征在于所述的碳纖維種類為T(mén)300或1700或T800，編織方式為碳?xì)只蚨嘞蚓幙椃绞健?br> 全文摘要
本發(fā)明提供一種在C/SiC復(fù)合材料中原位生長(zhǎng)β-SiC納米纖維的方法，其步驟(1)將碳纖維織物在管式爐中脫膠除去表面環(huán)氧樹(shù)脂膠；加熱溫度在350~450℃，保溫25~40min，氮?dú)獗Ｗo(hù)；將聚碳硅烷充分溶解于溶劑中，配成質(zhì)量百分比濃度在30~40%聚碳硅烷溶液；(2)采用真空浸潰的方法將聚碳硅烷溶液浸漬碳纖維織物；將浸漬碳纖維織物取出，在空氣中涼干，在管式爐中230~250℃固化1~3小時(shí)；(3)將步驟(2)固化后的浸漬碳纖維織物在1100~1400℃下高溫裂解1~2小時(shí)，得到陶瓷基復(fù)合材料。本發(fā)明直接在制備復(fù)合材料的過(guò)程中原位生成SiC納米纖維，SiC納米纖維生長(zhǎng)在孔洞處，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了后續(xù)循環(huán)中前驅(qū)體浸漬劑的均勻分布，減少材料缺陷，提高復(fù)合材料的使用性能；本方法工藝簡(jiǎn)單，易于控制，操作方便。
文檔編號(hào)C04B35/80GK102951919SQ20121044759
公開(kāi)日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月9日
發(fā)明者孫銀潔, 李秀濤, 周延春 申請(qǐng)人:航天材料及工藝研究所, 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院