一种界面改性的陶瓷基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种界面改性的陶瓷基复合材料及其制备方法。所述方法：提供连续碳纤维；将氧化石墨烯溶液喷涂于连续碳纤维的表面并进行低温处理，依次重复喷涂和低温处理至少一次，在连续碳纤维表面形成氧化石墨烯界面层；并采用该连续碳纤维编织成预制体结构，将预制体结构进行热还原处理，得到碳纤维表面具有石墨烯界面层的碳纤维预制体；通过化学气相沉积法在碳纤维预制体的碳纤维的石墨烯界面层上沉积热解碳界面层，得到多孔C/C基体；通过浸渍裂解法将陶瓷前驱体溶液与多孔C/C基体反应，制得界面改性的陶瓷基复合材料。本发明专利技术方法充分发挥了石墨烯优势，通过喷涂热还原转化为石墨烯界面层，从而有效解决了陶瓷基复合材料韧性较差的问题。性较差的问题。性较差的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种界面改性的陶瓷基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于陶瓷基复合材料制备
，尤其涉及一种界面改性的陶瓷基复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]以碳纤维增韧的陶瓷基复合材料作为一类新型高性能复合材料，由于具有低密度、抗氧化、高强度等特点而备受科研工作者关注。陶瓷类材料普遍较脆，当有较大应力时，其较易形成贯穿性裂纹，造成不可逆损伤。通过引入连续碳纤维和热解碳界面层，可以增韧陶瓷基复合材料，提升耐用性。但热解碳界面层普遍为纳米级尺寸的微晶，在释放应力方面较差，仍然容易造成较为明显的裂纹，此时会导致环境空气快速渗透，高温情况下迅速氧化碳纤维和陶瓷基体。
[0003]因此，如何进一步提升陶瓷基复合材料的韧性，是碳纤维增韧的陶瓷基复合材料在高温有氧环境下具备优异性能的关键性问题。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供了一种界面改性的陶瓷基复合材料及其制备方法。
[0005]本专利技术在第一方面提供了一种界面改性的陶瓷基复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
[0006](1)提供连续碳纤维；
[0007](2)将氧化石墨烯溶液喷涂于所述连续碳纤维的表面并进行低温处理，依次重复所述喷涂和所述低温处理至少一次，在连续碳纤维表面形成氧化石墨烯界面层；
[0008](3)采用表面形成有氧化石墨烯界面层的连续碳纤维编织成预制体结构，将所述预制体结构进行热还原处理，得到碳纤维表面具有石墨烯界面层的碳纤维预制体；/>[0009](4)通过化学气相沉积法在步骤(3)得到的所述碳纤维预制体的碳纤维的石墨烯界面层上沉积热解碳界面层，得到具有石墨烯/热解碳复合界面层的多孔C/C基体；
[0010](5)通过浸渍裂解法将陶瓷前驱体溶液与步骤(4)得到的多孔C/C基体反应，制得界面改性的陶瓷基复合材料。
[0011]优选地，所述低温处理为在0～5℃条件下处理1～600min优选为300～600min；和/或所述热还原处理的温度为500～1000℃，所述热还原处理的时间为1～360min优选为180～360min。
[0012]优选地，所述氧化石墨烯溶液以丙酮和水为溶剂，所述丙酮与水的用量的体积比为(1～3)：(1～3)；所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.01～1.0mg/mL；和/或所述氧化石墨烯溶液采用的氧化石墨烯为单层氧化石墨烯，所述单层氧化石墨烯的尺寸为1～3μm。
[0013]优选地，所述热还原处理为：将所述预制体结构置于高温炉内，在惰性气体保护下升温至500
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1000℃，通入氢气，氢气流量为10
‑
500sccm，在500～1000℃恒温1
‑
360min进行
热还原，使氧化石墨烯界面层转化为石墨烯界面层，自然降至室温；优选的是，升温速率为1
‑
5℃/min。
[0014]优选地，在步骤(2)中，在连续碳纤维表面形成厚度为0.05～0.5μm的氧化石墨烯界面层；和/或在步骤(4)中，沉积的所述热解碳界面层的厚度为0.1～10μm。
[0015]优选地，步骤(5)包括如下子步骤：
[0016](a)将步骤(4)得到的多孔C/C基体置于陶瓷前驱体溶液中浸渍，得到陶瓷前驱体溶液浸渍的C/C基体；
[0017](b)将所述陶瓷前驱体溶液浸渍的C/C基体进行固化，然后置于反应装置内，密封，抽真空，通入惰性气体，并在1000～1700℃恒温裂解1～360min；优选的是，所述固化为100
‑
500℃条件下固化1～360min；
[0018](c)在步骤(b)的裂解反应结束后，程序控制降温，冷却至室温后停止通入惰性气体，并恢复至大气压；
[0019](d)重复步骤(a)至(c)至少一次。
[0020]优选地，所述陶瓷前驱体溶液为聚碳硅烷溶液、碳化锆前驱体溶液、铪钽前驱体溶液或硅铪前驱体溶液。
[0021]优选地，所述陶瓷前驱体溶液为硅铪前驱体溶液，所述硅铪前驱体溶液的制备为：用二甲苯将聚碳硅烷和铪酸酯混合均匀，然后加入乙酰丙酮和烯丙基酚醛树脂并混合均匀，得到混合液，然后将所述混合液在5～45℃反应30～240min，得到所述硅铪前驱体溶液。
[0022]优选地，所述聚碳硅烷与所述铪酸酯的用量的摩尔比为(1～5)：(1～5)；所述铪酸酯与所述乙酰丙酮的用量的摩尔比为1：(0.1～0.7)；和/或所述铪酸酯与所述烯丙基酚醛树脂的用量的摩尔比为1：(1～5)。
[0023]本专利技术在第二方面提供了由本专利技术在第一方面所述的制备方法制得的界面改性的陶瓷基复合材料；优选的是，所述界面改性的陶瓷基复合材料的室温断裂韧性大于23.5MPa
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[0024]本专利技术与现有技术相比至少具有如下有益效果：
[0025](1)本专利技术方法将氧化石墨烯溶液均匀喷涂于连续碳纤维表面，优选为通过限制氧化石墨烯为单层和尺寸为1～3μm，并通过低温去除技术，使得氧化石墨烯片与连续碳纤维表面紧密贴合，优选为获得厚度为0.05
‑
0.5μm的氧化石墨烯界面层，采用该附有氧化石墨烯界面层的碳纤维编织成预制体结构，并经高温热还原技术使得氧化石墨烯界面层转变为石墨烯界面层，得到碳纤维预制体，然后再在碳纤维的石墨烯界面层表面沉积热解碳，形成了在碳纤维表面构建了石墨烯/热解碳复合界面层的多孔C/C基体，相较于在碳纤维表面构建的纯热解碳界面层，石墨烯的微晶尺寸为微米级，在释放应力方面更具优势，如此可以明显提高陶瓷基复合材料的韧性，有效避免了裂纹的产生，有效降低了空气的渗透量，进而可以提高陶瓷基复合材料在高温有氧环境下的力学性能等；本专利技术通过调控石墨烯界面层的厚度，可以调控陶瓷基复合材料的韧性。
[0026](2)本专利技术方法充分发挥石墨烯优势，通过喷涂热还原转化为石墨烯界面层，从而有效解决了陶瓷基复合材料韧性较差的问题；通过本专利技术制备得到的界面改性的陶瓷基复合材料，具有石墨烯/热解碳复合界面层，表现为碳纤维增韧的陶瓷基复合材料韧性的显著提升；所述界面改性的陶瓷基复合材料的常温断裂韧性大于23.5MPa
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附图说明
[0027]图1是本专利技术实施例1制得的界面改性的陶瓷基复合材料的微观结构图(SEM图)。
具体实施方式
[0028]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0029]本专利技术在第一方面提供了一种界面改性的陶瓷基复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
[0030](1)提供连续碳纤维；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种界面改性的陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)提供连续碳纤维；(2)将氧化石墨烯溶液喷涂于所述连续碳纤维的表面并进行低温处理，依次重复所述喷涂和所述低温处理至少一次，在连续碳纤维表面形成氧化石墨烯界面层；(3)采用表面形成有氧化石墨烯界面层的连续碳纤维编织成预制体结构，将所述预制体结构进行热还原处理，得到碳纤维表面具有石墨烯界面层的碳纤维预制体；(4)通过化学气相沉积法在步骤(3)得到的所述碳纤维预制体的碳纤维的石墨烯界面层上沉积热解碳界面层，得到具有石墨烯/热解碳复合界面层的多孔C/C基体；(5)通过浸渍裂解法将陶瓷前驱体溶液与步骤(4)得到的多孔C/C基体反应，制得界面改性的陶瓷基复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述低温处理为在0～5℃条件下处理1～600min优选为300～600min；和/或所述热还原处理的温度为500～1000℃，所述热还原处理的时间为1～360min优选为180～360min。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述氧化石墨烯溶液以丙酮和水为溶剂，所述丙酮与水的用量的体积比为(1～3)：(1～3)；所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.01～1.0mg/mL；和/或所述氧化石墨烯溶液采用的氧化石墨烯为单层氧化石墨烯，所述单层氧化石墨烯的尺寸为1～3μm。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述热还原处理为：将所述预制体结构置于高温炉内，在惰性气体保护下升温至500
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1000℃，通入氢气，氢气流量为10
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500sccm，在500～1000℃恒温1
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360min进行热还原，使氧化石墨烯界面层转化为石墨烯界面层，自然降至室温；优选的是，升温速率为1
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5℃/min。5.根据权利要求1所述的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨良伟，杨彤，景贵龙，郝乃蓉，孙娅楠，刘伟，于新民，孙同臣，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：