[发明专利]改性碳纤维增韧碳化硅陶瓷材料的制备方法及改性碳纤维增韧碳化硅陶瓷材料

说明书

本发明提供了改性碳纤维增韧碳化硅陶瓷材料的制备方法。本发明还提供了一种改性碳纤维增韧碳化硅陶瓷材料，包括碳化硅，分散于碳化硅内部的改性碳纤维，所述改性碳纤维包括碳纤维、自内而外依次包覆于碳纤维外部的氧化石墨烯层、氧化铝层、SiC层。本发明提供的碳化硅陶瓷材料，利用自内而外依次包覆的氧化石墨烯层、氧化铝层、SiC层的碳纤维进行增韧，多层保护结构大大提高了碳纤维的抗氧化性能，从而大大提高了碳化硅陶瓷材料的韧性。

技术领域

本发明属于新材料领域，特别涉及改性碳纤维增韧碳化硅陶瓷材料的制备方法及改性碳纤维增韧碳化硅陶瓷材料。

背景技术

碳化硅作为一种重要的结构陶瓷材料，凭借其优异的高温力学强度、高硬度、高弹性模量、高耐磨性、高导热性、耐腐蚀性等性能，不仅应用于高温窑具、燃烧喷嘴、热交换器、密封环、滑动轴承等传统工业领域，还可作为防弹装甲材料、空间反射镜、半导体晶圆制备中夹具材料及核燃料包壳材料。

碳化硅材料具有硬度大、耐磨损、弹性模量高等特性，这些特性大部分取决于其高度共价键性及稳定的晶体结构。碳化硅有β和α两种晶体结构，β-SiC为面心立方的闪锌矿结构，α-SiC为六方晶系纤锌矿结构。α-SiC因其结构单元层的不同堆垛方式衍生出2H、4H、6H、15R等多型体，其中工业上应用最广的是6H多型体。尽管SiC存在很多种多型体，且晶格常数各不相同，但其密度均很接近。β-SiC的密度为3.215g/cm³，各种α-SiC的变体的密度基本相同，为3.217g/cm³。β-SiC通常被称为“低温改性”，是一种室温下的亚稳相，在高于2100℃的温度下转变为α-SiC中的一种或多种多型体，且转变是不可逆的。15R变体在热力学上不太稳定，是发生β-SiC→6H-SiC转化时生成的中间相，高温下不存在。另外，制备碳化硅粉体时在2000℃以下合成的SiC主要为β型，在2200℃以上合成的主要为α-SiC，而且以6H为主。

纤维增强陶瓷基复合材料的概念最早出现在20世纪70年代初，是由J.Aveston在纤维增强聚合物基复合材料和纤维增强金属基复合材料研究的基础上提出的。它的出现为高性能陶瓷材料的研究与开发开辟了一个崭新的领域。在纤维增强陶瓷基复合材料的诸多增强相中，碳纤维具有高比模量、高比强度、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电性好、高热导和低膨胀，以及在非氧化介质条件下高温性能优异等一系列优点。作为增强相，碳纤维能够赋予复合材料韧性和抗冲击能力，改善陶瓷基体固有的脆性弱点，同时保留其良好的机械性能。在碳纤维增强陶瓷基复合材料中，C_f/SiC复合材料具有低密度(1.7～2.5g/cm₃)、高模量(100GPa)、高强度(拉伸强度350MPa、抗弯强度500MPa)(织物增强)、低热膨胀系数(1.8～4.1×10_-6/℃(20～1000℃))、高的耐热冲击性能(2100℃/s)和良好的耐化学腐蚀性能，是最有希望在高温环境得到应用的材料。另外，C_f/SiC复合材料的基体具有相对较好的抗氧化性能，被认为是继C_f/C复合材料之后的又一新型战略性材料，是提高现有武器装备性能和发展未来先进武器装备的技术关键，发达国家都在竞相发展。

未经处理的碳纤维表面的浸润性较差、反应活性低、惰性大，导致其与基体之间的界面性能差，因此需要对碳纤维进行表面改性，以改善复合材料的界面性能。

发明内容

技术问题：为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了改性碳纤维增韧碳化硅陶瓷材料的制备方法及改性碳纤维增韧碳化硅陶瓷材料。

技术方案：本发明提供了改性碳纤维增韧碳化硅陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)对碳纤维表面进行氧化处理，再采用硅烷偶联剂在碳纤维表面接枝氧化石墨烯，再将聚碳硅烷前驱体溶液涂覆于氧化石墨烯修饰的碳纤维表面，经固化、高温裂解形成氧化石墨烯改性碳纤维；