[发明专利]一种SiC纳米线增强SiC陶瓷基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种SiC纳米线气凝胶增强SiC陶瓷基复合材料及其制备方法。本发明的制备方法包括如下步骤：首先采用化学气相沉积法制备SiC纳米线，然后采用纤维冻结成型方法将SiC纳米线自组装成层状结构、纤维紧密交联缠绕的SiC纳米线气凝胶，再通过化学气相渗透在SiC纳米线表面沉积热解碳界面涂层，最后采用真空压力辅助先驱体浸渍热解法，在SiC纳米线气凝胶中原位复合SiC基体。本发明利用SiC纳米线气凝胶的交联网络结构与微纳米多级孔隙分布显著提高SiC陶瓷力学性能，满足航空航天领域高温装备用轻质高强结构材料需求。

技术领域

本发明涉及一种陶瓷基复合材料及其制备方法，特别涉及一种SiC纳米线增强SiC陶瓷基复合材料及其制备方法。

背景技术

SiC陶瓷具有抗氧化性能强、热稳定性能强、热膨胀系数小、抗辐照性能好、耐磨、耐腐蚀，已广泛应用于航空航天、军事、汽车等领域。但是由于SiC陶瓷的高硬度，质地较脆的特性，导致其加工性、应用性较差，这在很大程度上限制了SiC陶瓷在力学性能要求较高的范围内使用，例如发动机的涡轮叶片、防弹装甲等。

SiC纳米线具备柔韧性、弹性、高杨氏模量和拉伸强度，最大弯曲强度可达惊人的53.4GPa，是碳纤维的十倍，因此可作为一种优异的纳米增强体，被广泛应用于复合材料中。将SiC纳米线引入SiC陶瓷基体中形成SiC陶瓷复合材料，可以让两者优势互补，增加强度的同时还可以提高断裂韧性，但是如果简单地将SiC纳米线直接引入SiC陶瓷基体中，由于二者物理化学性质极其相似，导致结合强度过高，不能充分将发挥SiC纳米线的韧性，导致脆性改善不佳。再者，若SiC纳米线在SiC陶瓷基体中复合不均匀，会引起空洞等缺陷，反而会降低SiC陶瓷复合材料的强度。申请号为202010876982.6的中国专利公开了一种SiC纳米线增强SiC陶瓷，其优点在于采用碳涂层包覆来降低SiC纳米线与SiC陶瓷基体之间的结合强度，改善了陶瓷的脆性。但是在SiC纳米线与SiC陶瓷基体的复合过程中不能保证SiC纳米线均匀的复合在SiC陶瓷基体中，有可能大幅降低陶瓷基复合材料的强度。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术的不足，提供一种SiC纳米线增强SiC陶瓷基复合材料及其制备方法，该方法制得的SiC纳米线纤维增强SiC复合材料具有低密度、耐高温、优异的力学性能等。

为实现上述目的，本发明提供了一种SiC纳米线纤维增强SiC复合材料，体积密度小于2.4g/cm³，由SiC纳米线气凝胶、热解碳界面层与SiC基体组成，其特征在于采用化学气相沉积法制备SiC纳米线，采用纤维冻结成型方法将SiC纳米线自组装成层状结构、纤维紧密交联缠绕的SiC纳米线气凝胶，再通过化学气相渗透在SiC纳米线表面沉积热解碳界面涂层，最后采用真空压力辅助先驱体浸渍热解法，在SiC气凝胶中原位复合SiC基体。所述的SiC纳米线，长度为20nm～2cm，直径为10～100nm；所述的SiC纳米线气凝胶孔隙率75～96％，热解碳界面层厚度为10～500nm，SiC纳米线体积分数3～20％。

一种SiC纳米线气凝胶增强SiC陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下顺序步骤：

(1)将聚碳硅烷、二茂铁、活性炭混合，再球磨得到均匀的粉末先驱体，然后将粉末先驱体倒入石墨坩埚，放入高温烧结炉，升温到1200～1700℃生长SiC纳米线；

(2)将步骤(1)中的SiC纳米线加入到去离子水中，经超声形成均匀的分散液，将分散液加热，并在搅拌中加入聚乙烯醇溶液，将该溶液冷却至室温并加入肌醇六磷酸，得到胶体溶液，其中分散液、聚乙烯醇、肌醇六磷酸的体积比为100∶10～25∶0.5～2；

(3)将步骤(2)中的胶体溶液倒入模具中，进行液氮浴冷冻，然后冷冻干燥，即可得到SiC纳米线气凝胶，冷冻干燥温度为-80～-20℃、冷冻干燥时间为2～10天；