[发明专利]一种块体碳增强体/碳复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种通过固相反应烧结得到的块体碳增强体/碳复合材料及其制备方法。块体碳增强体/碳复合材料，是将金刚石粉体在溶剂中均匀分散后，滴加含有碳纤维或碳纳米管的水溶液，经分散，搅拌蒸干后，过筛制得前驱体粉末；所述前驱体粉末在保护气氛下施加压力经高温烧结后得到所述块体碳增强体/碳复合材料。所述金刚石粉体采用至少两种不同粒径的金刚石复配，制备获得具有由同心石墨烯层包裹的石墨相而成的洋葱状晶粒结构，碳增强体均匀分布在所述洋葱状晶粒结构周围的块体碳增强体/碳复合材料。本发明所制备的块体碳增强体/碳复合材料具有高的致密度和良好的力学性能，可用于耐磨材料、电极材料、核能工业等。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种块体碳增强体/碳复合材料及其制备方法。

背景技术

碳材料一直伴随着人类历史发展的进程，从零维富勒烯到一维碳纳米管，再到二维石墨烯，最后到常见的三维碳材料石墨、金刚石，都有着重要的应用。从单一的碳材料到两相甚至多相的碳/碳复合材料越来越备受关注，其应用范围也越来越广。然而，当今碳材料尤其是单一碳相组成的复合材料其发展的瓶颈是制得的产品相对致密度不是很高，力学性能达不到一些特殊行业的要求。本发明是通过固相反应烧结来制备块体碳增强体/碳复合材料，以金刚石为原料，通过引入碳纤维或碳纳米管可以显著提高由单一金刚石经相转变为石墨相所制的块体石墨材料的断裂韧性，使得裂纹在碳增强体处偏转、碳增强体对裂纹的桥连以及碳增强体拔出等能量消耗机制使该块体碳增强体/碳复合材料对裂纹、气孔等缺陷不敏感，制备方法简单，可操作性强，扩大了碳/碳复合材料的应用领域。

发明内容

为了克服现有技术的不足，攻克由固相烧结法制备高密度高强度的碳/碳复合材料难题，本发明提供了一种通过固相反应烧结得到的块体碳增强体/碳复合材料及其制备方法。本发明以金刚石为原料，添加碳增强体进行热压烧结，制得高密度高强度的洋葱状晶粒结构的块体碳增强体/碳复合材料。

本发明采用的具体技术方案是：

一种块体碳增强体/碳复合材料材料的制备方法，是先制得复合材料的前驱体，再经过加压烧结转化为块体碳增强体/碳复合材料。

进一步的，所述前驱体是采用经表面改性的金刚石粉体，采用至少两种不同粒径的金刚石复配，在无水乙醇中均匀分散后向其滴加含有碳增强体的水溶液，经超声分散，搅拌蒸干，干燥后过筛制得。

进一步的，所述复合材料的前驱体粉末的制备过程包括以下步骤：

(1)金刚石分散液的制备：分别称取2.4～2.6g粒径为80～100nm和0.24～0.26g粒径为40～50nm的经表面改性的金刚石粉体，研磨混合；将研磨后的混合粉体加入一定量的溶剂，超声分散20～30min；得到稳定的金刚石分散液；

(2)块体碳增强体/碳复合材料前驱体粉体的制备：向配置好的金刚石分散液中滴加含有碳增强体的水溶液，边滴加边搅拌，滴加完毕后再超声分散30min，在70℃下搅拌使溶剂蒸发至溶液成糊状，再80℃烘干；取出物料，滴入几滴无水乙醇并研磨至干燥，重复该步骤4次；将所得粉体用不锈钢标准筛过筛，制得复合材料的前驱体粉末。

所述步骤(1)中，所述的溶剂为无水乙醇。

所述步骤(2)中，所述的碳增强体水溶液分为二种(碳纳米管水溶液、碳纤维水溶液)，滴加碳增强体的含量不超过复合材料前驱体体积分数的3％，所述的不锈钢标准筛尺寸为100目。

进一步的，所述的烧结过程为称取复合材料的前驱体粉末置于模具中，在保护气体气氛下烧结；烧结时对模具施加30～100MPa压力；达到最高烧结温度时，保温2～10min，泄压冷却至室温。高温时，金刚石颗粒转变为由同心石墨烯层包裹的石墨相洋葱状晶粒结构，碳增强体均匀分布在洋葱状晶粒结构周围，得到致密的块体碳增强体/碳复合材料。

所述模具为石墨模具。

所述保护气氛为氩气。