[发明专利]一种碳化硅纳米线增强C/C-SiC-ZrB

说明书

本发明涉及一种碳化硅纳米线增强C/C‑SiC‑ZrB₂陶瓷基复合材料的制备方法，将预处理的碳纤维预制体进行热处理，可得到碳化硅纳米线。采用溶胶凝胶碳热反应法制备的碳化硅纳米线在多孔碳/碳复合材料内部分布均匀。随后利用等温化学气相沉积炉沉积热解碳包覆在碳化硅纳米线表面，有效避免在后续的反应熔渗过程中碳化硅纳米线的脱落、长大及断裂。反应熔渗后的陶瓷基复合材料碳纤维、碳化硅纳米线及热解碳中间层没有被高温金属熔体侵蚀，保存良好，有利于提高复合材料的力学性能。与没有加入碳化硅纳米线的C/C‑SiC‑ZrB₂陶瓷基复合材料试样相比，碳化硅纳米线增强C/C‑SiC‑ZrB₂陶瓷基复合材料的弯曲强度和断裂韧性分别提高了26.9‑41.3％和45.2‑59.1％。

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种碳化硅纳米线增强C/C-SiC-ZrB₂陶瓷基复合材料的制备方法。

背景技术

随着新型发动机的研制和新概念航天运载器的发展，传统的陶瓷基复合材料已经不能达到所需的性能指标，急需研发耐更高温度、更长寿命的新型复合材料以满足航空航天事业发展的需求。连续碳纤维增强C/C-SiC-ZrB₂复合材料具有耐高温、高比强度、高比模量、低热膨胀系数等一系列优良性能外，还具有陶瓷基体致密度高、抗烧蚀、耐热震、热化学稳定性好等特性，是一种集结构承载和抗氧化/烧蚀为一体的新型超高温陶瓷基复合材料。近年来，C/C-SiC-ZrB₂复合材料优异的性能在航空航天领域得到国内外同行的高度关注。

与陶瓷材料相比，C/C-SiC-ZrB₂复合材料的强度和断裂韧性通过碳纤维的桥联、脱粘、拔出和断裂等机制都显著提高，但是其脆性断裂行为仍然存在。在外力的作用下，陶瓷自身的脆性导致陶瓷基体先于碳纤维断裂，而碳纤维与陶瓷基体过强的界面结合力严重影响了碳纤维的增韧效果。

碳化硅纳米线具有高强度、高模量、耐热、耐磨等优异性能，已成功应用于增强和改性陶瓷基，金属基和树脂基复合材料并且显示较好的增韧效果。由于碳化硅纳米线的团聚效应和独特的生长工艺，使得碳化硅纳米线主要在碳纤维预制体表面生长，而碳纤维预制体内部几乎没有碳化硅纳米线生成。虽然可以将碳化硅纳米线在分散液中弥散分布后引入复合材料内部，但是由于碳化硅纳米线比表面积大，表面能高，弥散分布后的纳米材料在复合材料内部易团聚，难以在复合材料内部均匀分布，而且引入体积有限。通过原位生长技术可以很好的解决这一问题，如中国专利(公开号： CN102951919)公开了一种原位制备碳化硅纳米线的方法，该方法将碳纤维预制体放入聚碳硅烷二甲苯溶液中，高温裂解制备了碳化硅纳米线。然而，二甲苯溶液易燃、且具有毒性，长期使用对人体产生较大伤害。

文献1：“Wen Yang,Hiroshi Araki,Chengchun Tang,Somsri Thaveethavorn,Akira Kohyama,Hiroshi Suzuki,Tetsuji Noda.Single‐Crystal SiC Nanowires with aThin Carbon Coating for Stronger and Tougher Ceramic Composites.AdvancedMaterials,2005, 17(12):1519-1523.”通过CVI工艺制备了碳化硅纳米线增强碳化硅陶瓷基复合材料。当复合材料中碳化硅纳米线体积分数约为6％时，其弯曲强度和断裂韧性分别提高了 30％和72％。但是碳化硅纳米线不能在碳纤维预制体内部均匀分布，复合材料的孔隙率比较高(约17％)，而且碳化硅基体不能长时间抵御高温火焰的侵蚀。