一種微納米纖維/陶瓷基復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微納米纖維/陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，特別涉及一種CVI工藝反向?qū)⑻沾苫w相滲入微納米纖維氣凝膠預(yù)制體中制備陶瓷基復(fù)合材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]先進(jìn)陶瓷材料具有耐高溫、抗氧化、耐磨損、耐腐蝕、低密度等優(yōu)點(diǎn)，但本質(zhì)上的脆性極大限制了它的應(yīng)用。為了克服陶瓷材料的脆性和提高使用的可靠性，可以在單相陶瓷中添加一種或多種第二相材料以改善其脆性和可靠性，從而出現(xiàn)了各種陶瓷基復(fù)合材料。第二相可以是纖維(連續(xù)纖維、短纖維、晶須)，顆粒(微米顆粒、片晶、納米顆粒)等。
[0003]目前把微納米纖維引入到陶瓷相的主要方法是機(jī)械混合，然后再以無壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、等離子放電燒結(jié)等致密化工藝來制備陶瓷。這些工藝微納米纖維分散性較差，部分致密化工藝燒結(jié)溫度高、時(shí)間長會(huì)導(dǎo)致纖維損傷，陶瓷材料性能改善不明顯O
[0004]目前制備SiC、Si3N4, SiCN陶瓷的CVI工藝已經(jīng)成熟，CVI工藝通常采用較低的溫度(< 1000°C )和壓力，這樣避免了高溫?fù)p傷引入陶瓷相中的微納米纖維，但缺點(diǎn)是致密化速度低，周期長。
[0005]中國專利文獻(xiàn)披露的發(fā)明專利CN 102503398 A公開了 “一種鏑摻雜BiFeO3S鐵性塊體陶瓷及其制備方法”，所述制備方法是將原材料形成凝膠，然后將凝膠發(fā)泡得氣凝膠，粉碎氣凝膠得粉末，最后將粉末制成塊狀燒結(jié)，除去表面氧化層，得到BihDyxFeO3陶瓷。中國專利文獻(xiàn)披露的發(fā)明專利CN 102557710 A公開了“一種具有納米孔結(jié)構(gòu)的剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷材料的制備方法”，所述制備方法是將原材料制備成鋁硅復(fù)合氣凝膠，然后將氣凝膠熱處理得到納米孔結(jié)構(gòu)的剛玉-莫來石復(fù)相陶瓷。
[0006]目前，將微納米纖維制成氣凝膠，然后利用CVI工藝將陶瓷基體相滲入氣凝膠預(yù)制體中制備陶瓷基復(fù)合材料的方法還未見公開報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]要解決的技術(shù)問題
[0008]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種微納米纖維/陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，充分發(fā)揮微納米纖維在改善陶瓷基復(fù)合材料力學(xué)性能的優(yōu)勢(shì)，避免傳統(tǒng)工藝微納米纖維在陶瓷基體相中分散性差的缺點(diǎn)。
[0009]技術(shù)方案
[0010]一種微納米纖維/陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟如下:
[0011]步驟1:將I重量份數(shù)的微納米纖維分散到90?100重量份數(shù)的0.2?1.5wt%的羧甲基纖維素鈉的水溶液中，制成微納米的懸浮液；
[0012]步驟2:將微納米纖維懸浮液在<_10°C環(huán)境下冷凍3?10h，然后在-20?_80°C，真空度< 30Pa的環(huán)境下冷凍干燥15?45h得到微納米纖維氣凝膠預(yù)制體；
[0013]步驟3:采用化學(xué)氣相沉積法在微納米纖維氣凝膠預(yù)制體上沉積熱解碳界面層，界面層厚度O?100納米厚，實(shí)施化學(xué)氣相沉積法的工藝條件為:沉積溫度為800?900°C，壓力為0.2?0.4kPa，丙烯流量為25?35ml/min, Ar氣流量為250?350ml/min，沉積時(shí)間為O?60h ；
[0014]步驟4:采用CVI工藝沉積SiC基體，工藝條件如下:三氯甲基硅烷為源物質(zhì)，氬氣為稀釋氣體，氬氣流量為300?400ml/min，氫氣為載氣，氫氣流量為200?350ml/min，氫氣和三氯甲基硅烷的摩爾比為10: 1，沉積溫度為1000?1100°C，沉積時(shí)間為160?300h得到微納米纖維/SiC陶瓷基復(fù)合材料；然后在上述基礎(chǔ)上添加氮源NH3,流量為載氣氫氣的0.1?10，沉積溫度為800?1100°C，沉積150?300h得到微納米纖維/Si3N4陶瓷基復(fù)合材料。
[0015]有益效果
[0016]本發(fā)明提出的一種微納米纖維/陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，首先將微納米纖維制成氣凝膠預(yù)制體，該預(yù)制體具有二維、三維微納米纖維骨架、高比表面積、微納米級(jí)孔洞、低密度、微納米纖維分散性好等特殊微觀結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上采用化學(xué)氣相滲透法(CVI)在預(yù)制體上沉積熱解碳界面層，最后沉積陶瓷基體進(jìn)行致密化，完成微納米/陶瓷基復(fù)合材料的制備。該方法引入的微納米纖維分散性好，體積分?jǐn)?shù)可調(diào)范圍廣，能充分發(fā)揮微納米纖維的裂紋偏轉(zhuǎn)、拔出和橋接作用，有效提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。
[0017]本發(fā)明有益效果:
[0018]1:本發(fā)明制備的陶瓷基復(fù)合材料中微納米添加體能較好的分散到基體相中，充分發(fā)揮微納米纖維裂紋偏轉(zhuǎn)、拔出和橋接等作用。
[0019]2:本發(fā)明制備的陶瓷基復(fù)合材料中微納米纖維的體積分?jǐn)?shù)可調(diào)范圍廣，不會(huì)因?yàn)轶w積分?jǐn)?shù)高而弓I起微納米纖維的團(tuán)聚。
[0020]3:本發(fā)明制備的陶瓷基復(fù)合材料采用CVI工藝，工藝溫度低(< 1000°C )，對(duì)微納米纖維的損傷較小，能充分發(fā)揮微納米纖維的力學(xué)性能。
[0021]與連續(xù)纖維增強(qiáng)的碳化硅陶瓷基(C/SiC)復(fù)合材料相比，所制備的CNTs/SiC復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度最高提高20%，SiCnanowires/SiC復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度最高提高35%。
【附圖說明】
[0022]圖1:為微納米纖維碳納米管氣凝膠的掃描電鏡(SEM)圖。
[0023]圖2:為SiC納米線氣凝膠的掃描電鏡(SEM)圖。
[0024]圖3:為CNTs/SiC陶瓷基復(fù)合材料的SEM圖。
[0025]圖4:為SiCnanowires/SiC陶瓷基復(fù)合材料的SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
[0027]實(shí)施例1:
[0028](I)將Ig羧甲基纖維素鈉溶于99g去離子水中，機(jī)械攪拌2h，攪拌速度600r/min，
得到具有一定粘度的無色透明溶液。
[0029](2)將1.5g CNTs加入到步驟(I)中的溶液，先以300r/min的速度機(jī)械分散30min。，然后超聲分散30min。得到CNTs的懸浮液。
[0030](3)將步驟⑵中CNTs懸浮液放入冷凍干燥設(shè)備中，_40°C下冷凍7h，然后_20°C溫度下、30Pa真空度下進(jìn)行冷凍干燥35h，得到CNTs的氣凝膠預(yù)制體。
[0031](4)采用CVI工藝沉積SiC基體，工藝條件如下:三氯甲基硅烷為源物質(zhì)，氬氣為稀釋氣體(流量300ml/min)，氫氣為載氣(流量200ml/min)，氫氣和三氯甲基硅烷的摩爾比為10:1，沉積溫度為1000°C，沉積時(shí)間260h，得到CNTs/SiC陶瓷基復(fù)合材料，與連續(xù)纖維增強(qiáng)的碳化硅陶瓷基(C/SiC)復(fù)合材料相比，所制備的CNTs/SiC復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度最高提尚20%。
[0032]實(shí)施例2
[0033](I)將0.8g羧甲基纖維素鈉溶于99.2g去離子水中，機(jī)械攪拌2h，攪拌速度500r/min，得到具有一定粘度的無色透明溶液。
[0034](2)將2g SiC納米線加入到步驟(I)中的溶液，先以300r/min的速度機(jī)械分散45min。，然后超聲分散50min。得到SiC納米線的懸浮液。
[0035](3)將步驟(2)中SiC納米線懸浮液放入冷凍干燥設(shè)備中，-35°C下冷凍5h，然后_250°C溫度下、15Pa真空度下進(jìn)行冷凍干燥30h，得到SiC納米線的氣凝膠預(yù)制體。
[0036](4)采用CVI工藝沉積SiC基體，工藝條件如下:三氯甲基硅烷為源物質(zhì)，氬氣為稀釋氣體(流量310ml/min)，氫氣為載氣(流量220ml/min)，氫氣和三氯甲基硅烷的摩爾比為10:1，沉積溫度為1000°C，沉積時(shí)間260h，得到SiCn_wires/SiC陶瓷基復(fù)合材料，與連續(xù)纖維增強(qiáng)的碳化硅陶瓷基(C/SiC)復(fù)合材料相比，所制備的SiCn_wiMS/SiC復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度最高提高35%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種微納米纖維/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:將I重量份數(shù)的微納米纖維分散到90?100重量份數(shù)的0.2?1.5wt%的羧甲基纖維素鈉的水溶液中，制成微納米的懸浮液； 步驟2:將微納米纖維懸浮液在< -10°C環(huán)境下冷凍3?10h，然后在-20?-80°C，真空度< 30Pa的環(huán)境下冷凍干燥15?45h得到微納米纖維氣凝膠預(yù)制體； 步驟3:采用化學(xué)氣相沉積法在微納米纖維氣凝膠預(yù)制體上沉積熱解碳界面層，界面層厚度O?100納米厚，實(shí)施化學(xué)氣相沉積法的工藝條件為:沉積溫度為800?900°C，壓力為0.2?0.4kPa，丙烯流量為25?35ml/min, Ar氣流量為250?350ml/min，沉積時(shí)間為O?60h ； 步驟4:采用CVI工藝沉積SiC基體，工藝條件如下:三氯甲基硅烷為源物質(zhì)，氬氣為稀釋氣體，氬氣流量為300?400ml/min，氫氣為載氣，氫氣流量為200?350ml/min，氫氣和三氯甲基硅烷的摩爾比為10: 1，沉積溫度為1000?1100°C，沉積時(shí)間為160?300h得到微納米纖維/SiC陶瓷基復(fù)合材料；然后在上述基礎(chǔ)上添加氮源NH3,流量為載氣氫氣的0.1?10，沉積溫度為800?1100°C，沉積150?300h得到微納米纖維/Si3N4陶瓷基復(fù)合材料。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微納米纖維/陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，首先將微納米纖維制成氣凝膠預(yù)制體，該預(yù)制體具有二維、三維微納米纖維骨架、高比表面積、微納米級(jí)孔洞、低密度、微納米纖維分散性好等特殊微觀結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上采用化學(xué)氣相滲透法(CVI)在預(yù)制體上沉積熱解碳界面層，最后沉積陶瓷基體進(jìn)行致密化，完成微納米/陶瓷基復(fù)合材料的制備。該方法引入的微納米纖維分散性好，體積分?jǐn)?shù)可調(diào)范圍廣，能充分發(fā)揮微納米纖維的裂紋偏轉(zhuǎn)、拔出和橋接作用，有效提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。
【IPC分類】C04B35-565, C04B35-622, C04B35-584
【公開號(hào)】CN104803685
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510163868
【發(fā)明人】梅輝, 韓道洋, 肖珊珊, 唐健, 薛望祺, 成來飛
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請(qǐng)日】2015年4月8日