[发明专利]氮化硅和碳纳米管纤维的复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种氮化硅和碳纳米管纤维复合材料的制备方法，将碳纳米管纤维和硅粉混合，得到复合粉体或复合层片；将复合粉体或复合层片直接或层叠加入定形的模具中60‑200MPa加压成型，保压10‑20s成型得到素坯；将素坯放入气氛炉中反应烧结，以1‑5℃/min升至1000‑1500℃高温，保持碳纳米管纤维复合硅粉反应烧结所需气氛与气压，得到碳纳米管纤维复合材料；这些具有氮化硅结合碳纳米管结构的氮化硅和碳纳米管纤维的复合材料具有轻质、高强、导电导热等性能，可作为高性能结构导电导热材料和功能材料，用于相关领域，特别有望作为高性能复合材料、用于航空航天、国防装备和功能材料器件等领域。

技术领域

本发明涉及一种氮化硅和碳纳米管的复合材料及其制备方法，具体是采用碳纳米管纤维复合硅粉反应烧结的方法，制备碳纳米管定向、均匀分散、高含量的氮化硅和碳纳米管纤维的复合材料，属于纳米材料领域。

背景技术

氮化硅复合材料具有轻质、高强、高韧性、耐高温、抗热震，等优异的力学和高温性能，并具有导电、导热等物理性能，广泛应用于航空航天、国防装备等高技术领域，在机械、化工、电子工业等领域也有广泛的应用。

碳纳米管(CNT)具有一维纳米结构、高的比表面积，具有高强度、高模量、高韧性和高导电、高导热性以及电场发射等性能。这些优异的结构、力学、物理和功能性能使碳纳米管成为发展新型高性能、高导电导热复合材料和功能材料的理想材料。

将碳纳米管纤维作为增强体与氮化硅进行复合利用碳纳米管纤维中单根碳纳米管高的比表面积、高强度、高模量和高韧性等性能可与氮化硅基体匹配构成良好的界面结合，具有小的界面应力，有望获得高强、抗冲击、耐高温和抗热震的高性能纤维增强氮化硅复合材料。

利用碳纳米管纤维中碳纳米管独特的一维纳米结构、高导电和高导热性能，可在氮化硅基体中形成相互连接的导电和导热网络，实现复合材料承载、服役和实效应力的实时监测，发展具有智能特性的新型氮化硅基复合材料。

中国专利CN1514184A公开了一种碳纳米管与氮化硅等陶瓷复合材料，该复合材料主要由碳纳米管与陶瓷热压烧结而成具有吸波特性。其制备方法包括以下步骤：首先在分散介质中使用表面活性剂分散碳纳米管；再采用直接混合或快速溶胶-凝胶法制备复合粉体；最后进行热压烧结。该方法使用了催化剂、活性剂等助剂，工艺复杂，条件较为苛刻，成本较高。

采用碳纳米管纤维复合硅粉反应烧结的方法制备出氮化硅和碳纳米管纤维的复合材料未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮化硅和碳纳米管纤维复合材料的制备方法，即碳纳米管纤维复合硅粉反应烧结。碳纳米管纤维复合硅粉反应烧结的方法是以CN101153413A专利中提到的碳纳米管纤维，经简单的剪切、搓捻等机械加工后与硅粉经超声、球磨等机械混合后经模具压制成型，在气氛炉中通气氛进行再反应烧结的方法。反应烧结是氮化硅陶瓷制备中一种反应与烧结同时进行的制备方法，这种方法具有反应可控、尺寸精度容易控制、工艺简便等优点，通过控制烧结温度、时间和气压等参数可调控氮化硅的含量和进度。

本发明通过设计和构造复合材料的形态和尺寸可制备出块体、纤维等不同外观形态的氮化硅和碳纳米管纤维复合材料，通过控制碳纳米管纤维的加入及方式制备出各种碳纳米管纤维含量、排列取向的氮化硅和碳纳米管纤维复合材料。碳纳米管纤维的质量分数可为0.1-99.9％。通过碳纳米管纤维复合硅粉反应烧结的方法制备的氮化硅和碳纳米管纤维的复合材料具有轻质、高导电导热和吸波等性能，作为高性能结构和功能材料用于相关领域。

本发明的技术方案如下：

一种氮化硅和碳纳米管纤维复合材料的制备方法，步骤如下：

(1)将碳纳米管纤维和硅粉混合，得到复合粉体或复合层片；

(2)将复合粉体或复合层片直接或层叠加入定形的模具中60-200MPa加压成型，保压10-20s成型得到素坯；