[发明专利]一种电泳沉积CNTs增强陶瓷基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电泳沉积CNTs增强陶瓷基复合材料的制备方法，特别是涉及一种CNTs和连续纤维增强的碳化硅复合材料(CNT-C/SiC)的制备方法。

背景技术

碳纳米管(CNTs)由于其优异的力学及功能性能，具有高的长径比以及高的化学和热的稳定性，且CNTs中的破坏能通过其中空部分的塌陷来完成，从而在复合材料中应用时能极大地吸收能量等优点，能显著地提高材料的强韧性。如果将C/SiC复合材料和CNTs这两种性能优异的材料完美复合，充分发挥CNTs的优异性能，得到性能更加优异的新材料，具有十分重要的意义。

连续碳纤维增强的碳化硅陶瓷基复合材料(CMCs)具有耐高温、低密度、高比强、高比模、耐腐蚀、耐磨损等优异性能。同时具有类似金属断裂行为、对裂纹不敏感和不发生灾难性损坏等特点，作为高温结构材料被广泛应用于航空航天、军事、能源等领域。随着这些高端领域对材料性能所提出新的要求，连续碳纤维增强的碳化硅复合材料的力学性能有待进一步提高。利用电泳沉积CNTs和连续碳纤维增强的碳化硅基复合材料是一种理想的高性能材料。国防科大的Wang等人采用聚合物浸渍裂解法(polymer infiltration and pyrolysis process，PIP)制备了多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes，MWNTs)增强的C_f/SiC复合材料，研究表明：当加入1.5wt％MWNTs时，材料的弯曲强度和断裂韧性(423 MPa和23.35 MPa·m^1/2)分别比原始(326 MPa和18.25 MPa·m^1/2)增加了29.7％和27.9％。(H.Z.Wang.Composites Science and Technology,2012,(72):461-466.)。孙科等利用催化剂在SiC_f上自生CNTs,然后用PIP法制备了用CNTs增强的SiC_f/SiC复合材料，研究表明：其弯曲强度、弯曲韧性、弯曲模量相对SiC_f/SiC的(323.10MPa、11.22 MPa·m^1/2、87.03 MPa)分别提高了16.3％、106.3％、90.4％。(K.Sun.Materials Letters,2012,(66):92-95.)。但PIP法使得陶瓷基体的收缩率很大，微结构不致密，并且烧结温度高，同时有伴生裂纹出现。且催化剂的引入会造成较大纤维损伤,但是采用电泳沉积法结合低温化学气相渗透工艺将性能优异的CNTs引入到连续碳纤维预制体中，提高C/SiC复合材料的力学性能，还未见公开报道。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种电泳沉积CNTs增强陶瓷基复合材料的制备方法，以克服PIP法、原位自生法或反应烧结法等现有技术制备CNTs增强陶瓷基复合材料损伤纤维或基体收缩率大的缺点，提高C/SiC的强度。

技术方案

一种电泳沉积CNTs增强陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：以多壁碳纳米管为溶质，曲拉通为分散剂，去离子水为溶剂，按照1:10:2000的质量分数比配制CNTs水性溶液；

步骤2：用超声波材料乳化分散器超声分散溶液，得到均匀分散的CNTs溶液；

步骤3：采用化学气相沉积法CVD在2D碳纤维布上沉积热解碳界面层，工艺条件为：沉积温度800～900℃，压力0.2～0.4kPa，通入丙烯和Ar气，沉积时间40～60h；

步骤4：用电泳沉积法在步骤2中获得的沉积有热解碳层的2D碳纤维布上沉积CNTs，然后取出碳纤维布，自然干燥；

步骤5：将若干张步骤4制备的2D碳纤维布进行叠层，用两块多孔的定型石墨模板将上述碳纤维布叠层夹紧，采用接力式针刺方法将模板与中间的叠层碳布缝合，制成沉积用的CNTs的纤维预制体；

步骤6：在步骤5得到的纤维预制体上采用CVI沉积SiC基体，工艺条件如下：三氯甲基硅烷为源物质，氩气为稀释气体，氢气为载气；所述氢气和三氯甲基硅烷的摩尔比为10:1，沉积温度为1000～1100℃，沉积时间120h；

步骤7：拆模后重复步骤6，进一步致密CNT-C/SiC复合材料，然后对材料表面进行打磨，减少闭气孔；

步骤8：再一次重复步骤6，得到CNTs和连续碳纤维协同强化的SiC基复合材料。