一種界面改性的陶瓷基復合材料及其制備方法技術

本發明專利技術涉及一種界面改性的陶瓷基復合材料及其制備方法。所述方法：提供連續碳纖維；將氧化石墨烯溶液噴涂于連續碳纖維的表面并進行低溫處理，依次重復噴涂和低溫處理至少一次，在連續碳纖維表面形成氧化石墨烯界面層；并采用該連續碳纖維編織成預制體結構，將預制體結構進行熱還原處理，得到碳纖維表面具有石墨烯界面層的碳纖維預制體；通過化學氣相沉積法在碳纖維預制體的碳纖維的石墨烯界面層上沉積熱解碳界面層，得到多孔C/C基體；通過浸漬裂解法將陶瓷前驅體溶液與多孔C/C基體反應，制得界面改性的陶瓷基復合材料。本發明專利技術方法充分發揮了石墨烯優勢，通過噴涂熱還原轉化為石墨烯界面層，從而有效解決了陶瓷基復合材料韌性較差的問題。性較差的問題。性較差的問題。

【技術實現步驟摘要】
一種界面改性的陶瓷基復合材料及其制備方法


[0001]本專利技術屬于陶瓷基復合材料制備
，尤其涉及一種界面改性的陶瓷基復合材料及其制備方法。

技術介紹

[0002]以碳纖維增韌的陶瓷基復合材料作為一類新型高性能復合材料，由于具有低密度、抗氧化、高強度等特點而備受科研工作者關注。陶瓷類材料普遍較脆，當有較大應力時，其較易形成貫穿性裂紋，造成不可逆損傷。通過引入連續碳纖維和熱解碳界面層，可以增韌陶瓷基復合材料，提升耐用性。但熱解碳界面層普遍為納米級尺寸的微晶，在釋放應力方面較差，仍然容易造成較為明顯的裂紋，此時會導致環境空氣快速滲透，高溫情況下迅速氧化碳纖維和陶瓷基體。
[0003]因此，如何進一步提升陶瓷基復合材料的韌性，是碳纖維增韌的陶瓷基復合材料在高溫有氧環境下具備優異性能的關鍵性問題。

技術實現思路

[0004]為了解決現有技術中存在的技術問題，本專利技術提供了一種界面改性的陶瓷基復合材料及其制備方法。
[0005]本專利技術在第一方面提供了一種界面改性的陶瓷基復合材料的制備方法，所述方法包括如下步驟：
[0006](1)提供連續碳纖維；
[0007](2)將氧化石墨烯溶液噴涂于所述連續碳纖維的表面并進行低溫處理，依次重復所述噴涂和所述低溫處理至少一次，在連續碳纖維表面形成氧化石墨烯界面層；
[0008](3)采用表面形成有氧化石墨烯界面層的連續碳纖維編織成預制體結構，將所述預制體結構進行熱還原處理，得到碳纖維表面具有石墨烯界面層的碳纖維預制體；/>[0009](4)通過化學氣相沉積法在步驟(3)得到的所述碳纖維預制體的碳纖維的石墨烯界面層上沉積熱解碳界面層，得到具有石墨烯/熱解碳復合界面層的多孔C/C基體；
[0010](5)通過浸漬裂解法將陶瓷前驅體溶液與步驟(4)得到的多孔C/C基體反應，制得界面改性的陶瓷基復合材料。
[0011]優選地，所述低溫處理為在0～5℃條件下處理1～600min優選為300～600min；和/或所述熱還原處理的溫度為500～1000℃，所述熱還原處理的時間為1～360min優選為180～360min。
[0012]優選地，所述氧化石墨烯溶液以丙酮和水為溶劑，所述丙酮與水的用量的體積比為(1～3)：(1～3)；所述氧化石墨烯溶液的濃度為0.01～1.0mg/mL；和/或所述氧化石墨烯溶液采用的氧化石墨烯為單層氧化石墨烯，所述單層氧化石墨烯的尺寸為1～3μm。
[0013]優選地，所述熱還原處理為：將所述預制體結構置于高溫爐內，在惰性氣體保護下升溫至500
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1000℃，通入氫氣，氫氣流量為10
?
500sccm，在500～1000℃恒溫1
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360min進行
熱還原，使氧化石墨烯界面層轉化為石墨烯界面層，自然降至室溫；優選的是，升溫速率為1
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5℃/min。
[0014]優選地，在步驟(2)中，在連續碳纖維表面形成厚度為0.05～0.5μm的氧化石墨烯界面層；和/或在步驟(4)中，沉積的所述熱解碳界面層的厚度為0.1～10μm。
[0015]優選地，步驟(5)包括如下子步驟：
[0016](a)將步驟(4)得到的多孔C/C基體置于陶瓷前驅體溶液中浸漬，得到陶瓷前驅體溶液浸漬的C/C基體；
[0017](b)將所述陶瓷前驅體溶液浸漬的C/C基體進行固化，然后置于反應裝置內，密封，抽真空，通入惰性氣體，并在1000～1700℃恒溫裂解1～360min；優選的是，所述固化為100
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500℃條件下固化1～360min；
[0018](c)在步驟(b)的裂解反應結束后，程序控制降溫，冷卻至室溫后停止通入惰性氣體，并恢復至大氣壓；
[0019](d)重復步驟(a)至(c)至少一次。
[0020]優選地，所述陶瓷前驅體溶液為聚碳硅烷溶液、碳化鋯前驅體溶液、鉿鉭前驅體溶液或硅鉿前驅體溶液。
[0021]優選地，所述陶瓷前驅體溶液為硅鉿前驅體溶液，所述硅鉿前驅體溶液的制備為：用二甲苯將聚碳硅烷和鉿酸酯混合均勻，然后加入乙酰丙酮和烯丙基酚醛樹脂并混合均勻，得到混合液，然后將所述混合液在5～45℃反應30～240min，得到所述硅鉿前驅體溶液。
[0022]優選地，所述聚碳硅烷與所述鉿酸酯的用量的摩爾比為(1～5)：(1～5)；所述鉿酸酯與所述乙酰丙酮的用量的摩爾比為1：(0.1～0.7)；和/或所述鉿酸酯與所述烯丙基酚醛樹脂的用量的摩爾比為1：(1～5)。
[0023]本專利技術在第二方面提供了由本專利技術在第一方面所述的制備方法制得的界面改性的陶瓷基復合材料；優選的是，所述界面改性的陶瓷基復合材料的室溫斷裂韌性大于23.5MPa
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[0024]本專利技術與現有技術相比至少具有如下有益效果：
[0025](1)本專利技術方法將氧化石墨烯溶液均勻噴涂于連續碳纖維表面，優選為通過限制氧化石墨烯為單層和尺寸為1～3μm，并通過低溫去除技術，使得氧化石墨烯片與連續碳纖維表面緊密貼合，優選為獲得厚度為0.05
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0.5μm的氧化石墨烯界面層，采用該附有氧化石墨烯界面層的碳纖維編織成預制體結構，并經高溫熱還原技術使得氧化石墨烯界面層轉變為石墨烯界面層，得到碳纖維預制體，然后再在碳纖維的石墨烯界面層表面沉積熱解碳，形成了在碳纖維表面構建了石墨烯/熱解碳復合界面層的多孔C/C基體，相較于在碳纖維表面構建的純熱解碳界面層，石墨烯的微晶尺寸為微米級，在釋放應力方面更具優勢，如此可以明顯提高陶瓷基復合材料的韌性，有效避免了裂紋的產生，有效降低了空氣的滲透量，進而可以提高陶瓷基復合材料在高溫有氧環境下的力學性能等；本專利技術通過調控石墨烯界面層的厚度，可以調控陶瓷基復合材料的韌性。
[0026](2)本專利技術方法充分發揮石墨烯優勢，通過噴涂熱還原轉化為石墨烯界面層，從而有效解決了陶瓷基復合材料韌性較差的問題；通過本專利技術制備得到的界面改性的陶瓷基復合材料，具有石墨烯/熱解碳復合界面層，表現為碳纖維增韌的陶瓷基復合材料韌性的顯著提升；所述界面改性的陶瓷基復合材料的常溫斷裂韌性大于23.5MPa
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附圖說明
[0027]圖1是本專利技術實施例1制得的界面改性的陶瓷基復合材料的微觀結構圖(SEM圖)。
具體實施方式
[0028]為使本專利技術的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本專利技術實施例，對本專利技術的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例是本專利技術的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本專利技術中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本專利技術保護的范圍。
[0029]本專利技術在第一方面提供了一種界面改性的陶瓷基復合材料的制備方法，所述方法包括如下步驟：
[0030](1)提供連續碳纖維；本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種界面改性的陶瓷基復合材料的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：(1)提供連續碳纖維；(2)將氧化石墨烯溶液噴涂于所述連續碳纖維的表面并進行低溫處理，依次重復所述噴涂和所述低溫處理至少一次，在連續碳纖維表面形成氧化石墨烯界面層；(3)采用表面形成有氧化石墨烯界面層的連續碳纖維編織成預制體結構，將所述預制體結構進行熱還原處理，得到碳纖維表面具有石墨烯界面層的碳纖維預制體；(4)通過化學氣相沉積法在步驟(3)得到的所述碳纖維預制體的碳纖維的石墨烯界面層上沉積熱解碳界面層，得到具有石墨烯/熱解碳復合界面層的多孔C/C基體；(5)通過浸漬裂解法將陶瓷前驅體溶液與步驟(4)得到的多孔C/C基體反應，制得界面改性的陶瓷基復合材料。2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述低溫處理為在0～5℃條件下處理1～600min優選為300～600min；和/或所述熱還原處理的溫度為500～1000℃，所述熱還原處理的時間為1～360min優選為180～360min。3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述氧化石墨烯溶液以丙酮和水為溶劑，所述丙酮與水的用量的體積比為(1～3)：(1～3)；所述氧化石墨烯溶液的濃度為0.01～1.0mg/mL；和/或所述氧化石墨烯溶液采用的氧化石墨烯為單層氧化石墨烯，所述單層氧化石墨烯的尺寸為1～3μm。4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述熱還原處理為：將所述預制體結構置于高溫爐內，在惰性氣體保護下升溫至500
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1000℃，通入氫氣，氫氣流量為10
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500sccm，在500～1000℃恒溫1
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360min進行熱還原，使氧化石墨烯界面層轉化為石墨烯界面層，自然降至室溫；優選的是，升溫速率為1
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5℃/min。5.根據權利要求1所述的制備...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊良偉，楊彤，景貴龍，郝乃蓉，孫婭楠，劉偉，于新民，孫同臣，
申請(專利權)人：航天特種材料及工藝技術研究所，
類型：發明
國別省市：