[发明专利]一种碳化硅纤维框架的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种碳化硅纤维框架的制备方法，采用电流体动力喷射3D打印机，然后将得到的打印样品进行热处理，得到碳化硅纤维框架，本发明制备方法工艺简单，操作方便，降低了生产成本，能够满足工业化生产要求，碳化硅纤维框架一次成型，有效的避免了传统拉丝纤维二次编织复杂和整体性差的缺点；本发明所提供的碳化硅纤维框架，纤维与纤维之间互相胶黏，编织结合力强、力学性能优异，是一种理想的复合材料的高性能增强体；利用本发明所述碳化硅纤维框架制备得到三维交联纤维结构的SiC_f/SiC复合材料，具有高强度、高模量和耐高温等特性，并且具备可以任意剪切、打孔等二次加工性能。

技术领域

本发明属于功能材料制备技术领域，具体涉及一种碳化硅纤维框架的制备方法及其应用。

背景技术

碳化硅纤维(SiC_f)具有硬度高、耐磨损、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、热膨胀系数低及导热性好等优异性能，它与碳纤维(Carbon fiber)相比，具有更好的高温抗氧化性能，是先进复合材料常用的高性能增强纤维之一，而且SiC_f和碳化硅陶瓷有极好的相容性，在高温下不会与基体材料发生反应，是一种理想的复合材料的高性能增强体。

碳化硅纤维框架是由SiC_f编织而成，其在航空发动机涡轮叶片、燃烧室内衬套、核聚变反应堆材料等领域具有广泛的应用前景。世界各国科学家对制备碳化硅纤维框架展开了广泛的研究，日本的Nippon Carbon公司、Ube公司、美国的DowConing公司、Michigan大学、Florida大学和德国的Bayer公司等都在此领域进行了大量的研究工作。目前，在碳化硅纤维框架编织过程中普遍存在步骤繁琐、编织结合力弱、力学性能差等缺点，限制了碳化硅纤维框架的大规模应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备工艺简单、编织结合力强、力学性能优异的碳化硅纤维框架的制备方法及其应用。

本发明提供的这种碳化硅纤维框架的制备方法，包括以下步骤：

(1)将聚碳硅烷和四氢呋喃在设定温度下进行搅拌，然后加入乙醇和聚乙烯吡咯烷酮，充分搅拌后得到混合溶液；

(2)将步骤(1)所得混合溶液通过电流体动力喷射3D打印机，得到打印样品；

(3)将步骤(2)所得打印样品在空气中煅烧，得到煅烧后的样品；

(4)对步骤(3)所得煅烧后的样品置于惰性气氛中烧结，得到烧结后的样品；

(5)将步骤(4)所得烧结后的样品进行退火处理，得到所述碳化硅纤维框架。

优选的，所述聚碳硅烷和四氢呋喃的质量体积比为1：(5～20)g/ml。

优选的，所述聚乙烯吡咯烷酮和乙醇的质量体积比为1：(4～15)g/ml，聚乙烯吡咯烷酮和乙醇作为成膜粘结剂。

优选的，所述聚乙烯吡咯烷酮的加入量为聚碳硅烷质量的50～200％。

优选的，所述步骤(1)中，将聚碳硅烷和四氢呋喃在20～60℃下搅拌0.5～6h。

优选的，所述步骤(1)中，加入乙醇和聚乙烯吡咯烷酮后，搅拌时间为6～24h。

优选的，所述步骤(2)中，将混合溶液装入电流体动力喷射3D打印机针头内，然后将目标打印样品通过计算机处理后，导出框架STL三维文件，输入打印机，打印机参数设置针头与成型基板距离为0.01mm～1mm，脉冲电压为0.3KV～3KV。

优选的，所述步骤(3)中，将打印样品在马弗炉中煅烧，煅烧温度为180～250℃，煅烧时间为1～6h。

优选的，所述步骤(4)中，将煅烧后的样品置于管式炉中烧结，烧结温度为800～1600℃，升温速率1～5℃/min，烧结时间1～6h。