本發(fā)明涉及一種復合材料，具體涉及一種輕質(zhì)碳纖維復合材料及其制備工藝，屬于新材料技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
碳纖維力學性能優(yōu)異，是將熱處理過程中不熔融的人造化學纖維，經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理以及石墨化等工藝制成的。碳纖維主要由碳元素組成，其含碳量隨種類不同而異，一般在90％以上。碳纖維具有耐高溫、耐摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等，但其與一般的碳素材料有所不同，其外形有顯著的各向異性、柔軟，并可以加工成各種織物，沿纖維軸方向表現(xiàn)出較高的強度。
碳纖維一般不單獨使用，而是作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷或者混凝土等材料中，構(gòu)成復合材料，所制備的復合材料可以廣泛利用于飛機結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料、工業(yè)機器人、驅(qū)動軸等諸多領域。
但是現(xiàn)有的碳纖維復合材料輕質(zhì)性能仍有很大的提升空間，其力學性能和抗熱沖擊性能也不能滿足高精尖領域的高標準要求，限制了其應用領域。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種輕質(zhì)碳纖維復合材料。
本發(fā)明還提供了該種輕質(zhì)碳纖維復合材料的制備工藝。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
一種輕質(zhì)碳纖維復合材料，是以碳纖維和石英纖維預制體為骨架，骨架的空隙間填充氧化鋁、氮化硅和碳化硼；以質(zhì)量百分比計，各組分含量為：碳纖維20～35％，石英纖維10～25％，氧化鋁10～25％，氮化硅10～15％，碳化硼10～15％。
優(yōu)選的，碳纖維表面還包括1.5～2μm的基體碳。
優(yōu)選的，所述碳纖維和石英纖維預制體為準三維或三維，包括針刺或細編穿刺。
優(yōu)選的，所述碳纖維為T300或T700宇航級。
優(yōu)選的，所述氧化鋁、氮化硅和碳化硼的平均粒徑均為0.5～2μm。
上述的一種輕質(zhì)碳纖維復合材料的制備工藝，包括步驟：
(1)將碳纖維和石英纖維經(jīng)混合針刺或細編穿刺，得到預制體；
(2)將氧化鋁、氮化硅和碳化硼倒入5～10倍重量的無水乙醇中，超聲分散1～2小時，球磨處理5～6小時，除去無水乙醇，烘干，即得混合陶瓷粉體；
(3)將步驟(1)的預制體與步驟(2)的混合陶瓷粉體混合均勻，并在真空爐中高溫燒結(jié)，即得輕質(zhì)碳纖維復合材料；其中，燒結(jié)溫度為1600～2200℃，燒結(jié)時間為2～3小時。
優(yōu)選的，步驟(1)還包括沉碳處理步驟，是將預制體在950～1000℃條件下保溫20～45分鐘，如此處理2～3次，即得表面覆蓋基體碳的預制體。
優(yōu)選的，步驟(2)中的球磨轉(zhuǎn)速為500～600轉(zhuǎn)/分鐘。
優(yōu)選的，步驟(3)中混合方法為在研磨機中以300～500轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度進行共混。
本發(fā)明的有益效果：
本發(fā)明的復合材料是以碳纖維和石英纖維預制體為骨架，并在骨架的空隙間填充氧化鋁、氮化硅和碳化硼而得，通過碳纖維和石英纖維預制體構(gòu)建的骨架大大減輕了所得渡河材料的重量，結(jié)合骨架空隙填充的氧化鋁、氮化硅和碳化硼，改善產(chǎn)品的力學性能和抗熱沖擊性能。
經(jīng)測試，本發(fā)明的輕質(zhì)碳纖維復合材料密度在1.5g/cm3以下，拉伸強度180MPa以上，彎曲強度和壓縮強度在220MPa以上，在2100℃有氧環(huán)境下質(zhì)量損失僅為10-5g/cm2s量級，具有輕質(zhì)、力學性能好和抗熱沖擊性能佳等優(yōu)點。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進行進一步的闡述，應該說明的是，下述說明僅是為了解釋本發(fā)明，并不對其內(nèi)容進行限定。
實施例1：
一種輕質(zhì)碳纖維復合材料，是以碳纖維(T300宇航級，其表面包括1.5μm的基體碳)和石英纖維預制體為骨架，骨架的空隙間填充氧化鋁(粒徑0.5μm)、氮化硅(粒徑0.5μm)和碳化硼(粒徑0.5μm)；以質(zhì)量百分比計，各組分含量為：碳纖維20％，石英纖維25％，氧化鋁25％，氮化硅15％，碳化硼15％。
其中，碳纖維和石英纖維預制體為準三維，細編穿刺而得。
上述的一種輕質(zhì)碳纖維復合材料的制備工藝，包括步驟：
(1)將碳纖維和石英纖維經(jīng)混合針刺或細編穿刺，得到預制體；然后將預制體在950℃條件下保溫20分鐘，如此沉碳處理2次，即得表面覆蓋基體碳的預制體；
(2)將氧化鋁、氮化硅和碳化硼倒入5倍重量的無水乙醇中，超聲分散1小時，500轉(zhuǎn)/分鐘球磨處理5小時，除去無水乙醇，烘干，即得混合陶瓷粉體；
(3)將步驟(1)的預制體與步驟(2)的混合陶瓷粉體混合均勻，并在真空爐中高溫燒結(jié)，即得輕質(zhì)碳纖維復合材料；其中，混合方法為在研磨機中以300轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度進行共混，燒結(jié)溫度為1600℃，燒結(jié)時間為2小時。
實施例2：
一種輕質(zhì)碳纖維復合材料，是以碳纖維(T700宇航級，其表面包括2μm的基體碳)和石英纖維預制體為骨架，骨架的空隙間填充氧化鋁(粒徑2μm)、氮化硅(粒徑2μm)和碳化硼(粒徑2μm)；以質(zhì)量百分比計，各組分含量為：碳纖維35％，石英纖維10％，氧化鋁25％，氮化硅15％，碳化硼15％。
其中，碳纖維和石英纖維預制體為三維，細編穿刺而得。
上述的一種輕質(zhì)碳纖維復合材料的制備工藝，包括步驟：
(1)將碳纖維和石英纖維經(jīng)混合針刺或細編穿刺，得到預制體；然后將預制體在1000℃條件下保溫45分鐘，如此沉碳處理3次，即得表面覆蓋基體碳的預制體；
(2)將氧化鋁、氮化硅和碳化硼倒入10倍重量的無水乙醇中，超聲分散2小時，600轉(zhuǎn)/分鐘球磨處理6小時，除去無水乙醇，烘干，即得混合陶瓷粉體；
(3)將步驟(1)的預制體與步驟(2)的混合陶瓷粉體混合均勻，并在真空爐中高溫燒結(jié)，即得輕質(zhì)碳纖維復合材料；其中，混合方法為在研磨機中以500轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度進行共混，燒結(jié)溫度為2200℃，燒結(jié)時間為3小時。
實施例3：
一種輕質(zhì)碳纖維復合材料，是以碳纖維(T300宇航級，其表面包括2μm的基體碳)和石英纖維預制體為骨架，骨架的空隙間填充氧化鋁(粒徑0.5μm)、氮化硅(粒徑2μm)和碳化硼(粒徑0.5μm)；以質(zhì)量百分比計，各組分含量為：碳纖維35％，石英纖維20％，氧化鋁20％，氮化硅15％，碳化硼10％。
其中，碳纖維和石英纖維預制體為準三維，針刺而得。
上述的一種輕質(zhì)碳纖維復合材料的制備工藝，包括步驟：
(1)將碳纖維和石英纖維經(jīng)混合針刺或細編穿刺，得到預制體；然后將預制體在1000℃條件下保溫20分鐘，如此沉碳處理3次，即得表面覆蓋基體碳的預制體；
(2)將氧化鋁、氮化硅和碳化硼倒入5倍重量的無水乙醇中，超聲分散2小時，500轉(zhuǎn)/分鐘球磨處理6小時，除去無水乙醇，烘干，即得混合陶瓷粉體；
(3)將步驟(1)的預制體與步驟(2)的混合陶瓷粉體混合均勻，并在真空爐中高溫燒結(jié)，即得輕質(zhì)碳纖維復合材料；其中，混合方法為在研磨機中以300轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度進行共混，燒結(jié)溫度為2200℃，燒結(jié)時間為2小時。
實施例4：
一種輕質(zhì)碳纖維復合材料，是以碳纖維(T700宇航級，其表面包括1.5μm的基體碳)和石英纖維預制體為骨架，骨架的空隙間填充氧化鋁(粒徑2μm)、氮化硅(粒徑0.5μm)和碳化硼(粒徑2μm)；以質(zhì)量百分比計，各組分含量為：碳纖維20％，石英纖維25％，氧化鋁25％，氮化硅15％，碳化硼15％。
其中，碳纖維和石英纖維預制體為三維，細編穿刺而得。
上述的一種輕質(zhì)碳纖維復合材料的制備工藝，包括步驟：
(1)將碳纖維和石英纖維經(jīng)混合針刺或細編穿刺，得到預制體；然后將預制體在950℃條件下保溫45分鐘，如此沉碳處理2次，即得表面覆蓋基體碳的預制體；
(2)將氧化鋁、氮化硅和碳化硼倒入10倍重量的無水乙醇中，超聲分散1小時，600轉(zhuǎn)/分鐘球磨處理5小時，除去無水乙醇，烘干，即得混合陶瓷粉體；
(3)將步驟(1)的預制體與步驟(2)的混合陶瓷粉體混合均勻，并在真空爐中高溫燒結(jié)，即得輕質(zhì)碳纖維復合材料；其中，混合方法為在研磨機中以500轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度進行共混，燒結(jié)溫度為1600℃，燒結(jié)時間為3小時。
實施例5：
一種輕質(zhì)碳纖維復合材料，是以碳纖維(T300宇航級，其表面包括2μm的基體碳)和石英纖維預制體為骨架，骨架的空隙間填充氧化鋁(粒徑1μm)、氮化硅(粒徑1μm)和碳化硼(粒徑2μm)；以質(zhì)量百分比計，各組分含量為：碳纖維30％，石英纖維25％，氧化鋁20％，氮化硅12％，碳化硼13％。
其中，碳纖維和石英纖維預制體為準三維，針刺而得。
上述的一種輕質(zhì)碳纖維復合材料的制備工藝，包括步驟：
(1)將碳纖維和石英纖維經(jīng)混合針刺或細編穿刺，得到預制體；然后將預制體在1000℃條件下保溫30分鐘，如此沉碳處理3次，即得表面覆蓋基體碳的預制體；
(2)將氧化鋁、氮化硅和碳化硼倒入8倍重量的無水乙醇中，超聲分散2小時，550轉(zhuǎn)/分鐘球磨處理5小時，除去無水乙醇，烘干，即得混合陶瓷粉體；
(3)將步驟(1)的預制體與步驟(2)的混合陶瓷粉體混合均勻，并在真空爐中高溫燒結(jié)，即得輕質(zhì)碳纖維復合材料；其中，混合方法為在研磨機中以400轉(zhuǎn)/分鐘的攪拌速度進行共混，燒結(jié)溫度為2000℃，燒結(jié)時間為2小時。
試驗例
對實施例1～5的輕質(zhì)碳纖維復合材料進行性能測試，分別采用排水法測試材料的密度，萬能試驗機測試材料的拉伸輕度、彎曲強度和壓縮強度，并在2100℃有氧環(huán)境下測試質(zhì)量損失率(單位時間內(nèi)單位面積的質(zhì)量損失)，結(jié)果見表1。
表1.性能測試結(jié)果
從表1可以看出，本發(fā)明的輕質(zhì)碳纖維復合材料密度在1.5g/cm3以下，拉伸強度180MPa以上，彎曲強度和壓縮強度在220MPa以上，在2100℃有氧環(huán)境下質(zhì)量損失僅為10-5g/cm2s量級，具有輕質(zhì)、力學性能好和抗熱沖擊性能佳等優(yōu)點。
上述雖然對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎上，本領域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。