一种C制造技术

本发明专利技术涉及一种C

【技术实现步骤摘要】
一种C
f
@SiC短纤维及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种高效、低成本C
f
@SiC短纤维制备方法，属于结构陶瓷领域。

技术介绍

[0002]碳化硅陶瓷具有高强度、高硬度、高热导率、高耐磨性、高温稳定性、耐腐蚀性、抗中子辐照等优异性能，广泛应用于机械、化工等领域，然而碳化硅陶瓷的高脆性给其应用带来了不利影响，常采用短切碳纤维来增韧碳化硅。
[0003]目前，Cf/SiC陶瓷基复合材料制备方法包括前驱体浸渍裂解(PIP)、化学气相渗透(CVI)、液相硅渗透法(LSI/RMI)以及一些组合工艺，如CVI
‑
LSI、CVI
‑
PIP、PIP
‑
CVI等。前驱体浸渍裂解(PIP)是通过将陶瓷有机前驱体如聚碳硅烷，在较低温度(<1200℃)下裂解转化为无机陶瓷体的工艺，能够制备具有复杂结构、低热损伤的陶瓷基部件，然而由于裂解过程释放大量有机小分子气体，会在基体中产生大量气泡、孔道结构，使得由PIP工艺生产的陶瓷基复合材料存在较大收缩和难以致密化的问题。化学气相渗透(CVI)一般是以三氯甲基硅烷(MTS)作为前驱体，在较低温度下(<1000℃)热解沉积在多孔碳基体上。CVI常与LSI结合，在纤维表面制备SiC涂层后进行反应烧结过程，用于渗硅过程中的纤维保护。该工艺地缺点在于难以生产致密化的部件(往往需要数百小时)，并且存在气孔较多、沉积不均等问题。液相硅渗透法作为一种能够低成本生产高致密化程度Cf/SiC陶瓷复合材料的方法而备受关注。然而，由于渗硅过程具有高反应性，碳纤维极易被液态硅侵蚀，导致增韧效果受限，对纤维表面覆层碳化硅能够使碳纤维的增韧效果在渗硅后可以得到很好的保留。目前通常使用的是CVI法，一般是以三氯甲基硅烷(MTS)作为前驱体，在较低温度下(<1000℃)热解沉积在碳纤维基体上，但是该工艺成本较高、工艺复杂。

技术实现思路

[0004]为解决C
f
/SiC陶瓷基复合材料渗硅致密化过程中纤维侵蚀严重的问题，本专利技术提供了一种纤维保护良好、覆层均匀且高效、低成本的C
f
@SiC短纤维及其制备方法。
[0005]第一方面，本专利技术提供了一种C
f
@SiC短纤维的制备方法，包括：将短切碳纤维粉体置于浓硝酸中进行氧化反应后，再经洗涤和干燥得到C
f
O；将所得C
f
O、葡萄糖溶液和碱性物质，混合搅拌得到碱性混合溶液，再进行水热反应、洗涤和干燥，得到C
f
@HTC短纤维；将所得C
f
@HTC短纤维和硅粉混合后进行反应烧结，得到C
f
@SiC短纤维。
[0006]本专利技术以葡萄糖作为碳源，利用其在水热环境下的脱水交联缩合作用，促使缩合生成的有机碳在经表面氧化处理后的碳纤维表面沉积，最后通过反应烧结法将水热碳层转化为碳化硅层，碳化硅层在短切碳纤维表面均匀包覆，得到C
f
@SiC短纤维。特别地，本专利技术使用碱性物质调节pH至弱碱性，有效抑制二次成核导致的碳微球，避免微米级的碳微球无规则排列在纤维表面，有利于葡萄糖脱水缩合的中间产物沉积于纤维表面，获得表面包覆均匀的HTC(水热碳层)，从而在反应烧结过程中对内部的碳纤维起到保护作用。
[0007]较佳的，所述短切碳纤维粉体的直径为5～10μm，长度为35～150μm。
[0008]设置上述长度范围为了使制得的C
f
@SiC短纤维能够用于C
f
/SiC陶瓷复合材料的增韧。若长度过大或过小，在C
f
/SiC陶瓷复合材料中均不能取得良好的增韧效果。
[0009]较佳的，所述浓硝酸的浓度为12～18moL/L；所述浓硝酸与所述短切碳纤维粉体的的比为70～100mL：100g。
[0010]较佳的，所述浓硝酸在混合之前要预热至70～80℃。
[0011]较佳的，所述氧化反应的温度为70～90℃，时间为0.5～5小时。
[0012]较佳的，所述葡萄糖溶液的浓度为10wt％～20wt％；所述葡萄糖与C
f
O重量比为1：1～30：1，优选为5：1～10：1；所述碱性物质为氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种；所述混合溶液呈弱碱性，pH为10～13；优选地，所述碱性物质为氢氧化钠，所述氢氧化钠与C
f
O的质量比为1：5～1：20。
[0013]当葡萄糖少量，覆层太薄，在反应烧结过程中无法起到保护纤维的作用，同时也无法生成合适厚度的SiC层；当葡萄糖过量，二次成核现象严重，生成大量碳微球，导致包覆不均匀。
[0014]较佳的，所述水热反应温度为160℃～190℃，保温时间为6～14小时。
[0015]较佳的，所述搅拌速率为200rpm～1000rpm，搅拌模式为正反转搅拌。
[0016]搅拌模式设置为正反转搅拌的目的在于使用一个方向搅拌时，会使得制备的C
f
@HTC存在取向团聚(指纤维存在团聚现象的同时，构成团聚体的纤维存在取向，这对下一步的反应烧结是不利的，容易造成气态硅渗透不均匀)。
[0017]较佳的，所述硅粉的粒径D
50
＝1～10μm，纯度≥99.9％；所述硅粉和葡萄糖的质量比为1：1～4，优选为1：2～3。当硅粉少量，HTC层无法反应完全。当硅粉过量，会侵蚀HTC层内部的碳纤维，造成其对碳纤维的保护效果降低。
[0018]较佳的，所述烧结的温度为1450～1550℃，升温速率为3～10℃/min，保温时间为10～60分钟(例如30min)，保温环境为真空气氛，烧结结束后转为氩气气氛。
[0019]第二方面，本专利技术提供了一种上述方法制备的C
f
@SiC短纤维粉体，所述C
f
@SiC短纤维粉体中，碳化硅层在短切碳纤维表面均匀包覆，厚度不超过3μm，优选为1～3μm，平均直径为10～100μm。
[0020]有益效果：
[0021]由于渗硅过程具有高反应性，碳纤维极易被液态硅侵蚀，导致增韧效果受限，对纤维表面覆层碳化硅能够使碳纤维的增韧效果在渗硅后可以得到很好的保留。目前通常使用的是CVI法，一般是以三氯甲基硅烷(MTS)作为前驱体，在较低温度下(<1000℃)热解沉积在碳纤维基体上，但是该工艺成本较高、工艺复杂。使用本专利技术所述方法，通过调节水热反应初始悬浮液pH对短切碳纤维实现了覆层均匀、厚度可控的HTC包覆，可以高效、低成本制得覆层均匀、保护效果良好的C
f
@SiC短纤维。
附图说明
[0022]图1示出了实施例1
‑
11中原料纤维的扫描电镜图。
[0023]图2示出了实施例1中水热反应完成后的C
f
@HTC短纤维扫描电镜图；从图2中可以看出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种C
f
@SiC短纤维的制备方法，其特征在于，包括：将短切碳纤维粉体置于浓硝酸中进行氧化反应后，再经洗涤和干燥得到C
f
O；将所得C
f
O、葡萄糖溶液和碱性物质，混合搅拌得到碱性混合溶液，再进行水热反应、洗涤和干燥，得到C
f
@HTC短纤维；将所得C
f
@HTC短纤维和硅粉混合后进行反应烧结，得到C
f
@SiC短纤维。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述短切碳纤维粉体的直径为5～10μm，平均长度为35～150μm；所述浓硝酸的浓度为12～18moL/L；所述浓硝酸和短切碳纤维粉体的比为70～100mL：100g。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述浓硝酸在混合之前要预热至70～80℃。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述氧化反应的温度为70～90℃，时间为0.5～5小时。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述葡萄糖溶液的浓度为10wt%～20wt%，所述葡萄糖和C
f
O重量比为1：1～30：1，优选5：1～10：1；所述碱...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨勇，唐杰，陈晓，林成龙，黄政仁，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：