碳纤维增强陶瓷复合材料及其制备方法技术

本申请涉及碳纤维增强陶瓷复合材料及其制备方法，该方法通过逐层针刺编制将碳纤维与无维布、网胎连为一体，且碳纤维从预制体内部延伸至表面，后续填充陶瓷后，得到的碳纤维增强陶瓷表面与基体具有更强的结合力，可有效提高表面的抗热震性能。且由于结合力提高，碳纤维增强陶瓷表面的厚度可以达到毫米级，从而具有更大的热容量和持久的耐烧蚀能力。同时，每层碳纤维的轴向与烧蚀方向相同，提供了更好的热传导路径，可将烧蚀过程中产生的热量导走，减少表面与基体之间的温度差异，从而抑制表面裂纹的产生。裂纹的产生。

【技术实现步骤摘要】
碳纤维增强陶瓷复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及复合材料
，特别是涉及碳纤维增强陶瓷复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳碳复合材料，由于具有重量轻、高温稳定性好等特性，在航空航天领域得到广泛应用。然而，炭材料在有氧环境下高于400℃易发生氧化，使材料性能发生恶化，因此限制了它在高温有氧环境下的应用。为了提高碳碳复合材料的抗氧化和耐烧蚀性能，常采用表面涂层技术，在其表面覆盖一层具有低氧渗透率和高熔点的陶瓷涂层，以隔绝碳基体与外部氧气的接触，从而保护碳碳复合材料不受氧化损伤，进而提高碳碳复合材料的烧蚀性能。但超高温陶瓷涂层在实际应用中仍面临诸多挑战。
[0003]首先，超高温陶瓷与碳碳复合材料的热膨胀系数不同，导致其抗热震性能差，烧蚀过程中易出现界面剥离和涂层失效等问题。尽管可采用碳纳米管、碳化硅纳米线等纳米纤维对涂层进行增韧，但由于这些纳米线与基体之间的结合力不足，涂层的抗热震性能提升有限。其次，传统工艺所制备的涂层厚度往往较薄，难以提供持久的高温耐烧蚀能力，且网状分布的纳米线不能及时导走热量，导致烧蚀过程的平衡温度升高以及涂层中热应力累积，容易造成涂层烧蚀面萌生裂纹，对航天构件产生安全隐患。

技术实现思路

[0004]基于此，有必提供一种表面具有良好抗热震性能、高温耐烧蚀性能且不易产生裂纹的碳纤维增强陶瓷复合材料。
[0005]一种碳纤维增强陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0006]按照0
°
无维布、碳纤维、网胎、碳纤维、90
°
无维布、碳纤维、网胎、碳纤维的顺序依次循环铺层并逐层针刺编制至设计厚度后，根据需要，将裸露在外的碳纤维裁剪至设计长度，得到碳纤维增强预制体；
[0007]采用化学气相沉积法、先驱体浸渍裂解法、包埋法、熔渗法中的至少一种，在所述碳纤维增强预制体的孔隙中填充陶瓷，得到碳纤维增强陶瓷复合材料。
[0008]在其中一个实施例中，所述碳纤维的直径为1μm～5μm。
[0009]在其中一个实施例中，每层碳纤维的铺设厚度≤20mm。
[0010]在其中一个实施例中，每层碳纤维的铺设厚度为0.1mm～0.5mm。
[0011]在其中一个实施例中，相邻层碳纤维铺设方向之间的夹角为10
°
～30
°
[0012]在其中一个实施例中，所述铺层密度为15层/cm～25层/cm。
[0013]在其中一个实施例中，所述针刺密度为30针/m2～60针/m2，所述针刺深度为1mm～5mm。
[0014]在其中一个实施例中，所述碳纤维增强陶瓷复合材料中碳纤维的体积含量为0.5％～10％。
[0015]在其中一个实施例中，所述碳纤维增强陶瓷复合材料的密度为1.95g/cm3～2.42g/cm3。
[0016]本申请还提供一种上述任一项所述的制备方法制得的碳纤维增强陶瓷复合材料。
[0017]有益效果：
[0018](1)通过调整裸露在外的碳纤维的长度，后续填充陶瓷后，可得到毫米级厚度的碳纤维增强陶瓷表面，相较于传统微米级厚度的超高温陶瓷涂层，具有更大的热容量和持久的耐烧蚀能力；
[0019](2)通过逐层针刺编制将碳纤维与无维布、网胎连为一体，且碳纤维从预制体内部延伸至表面，后续填充陶瓷后，得到的碳纤维增强陶瓷表面与基体具有更强的结合力，可有效提高表面的抗热震性能。
[0020](3)每层碳纤维的轴向与烧蚀方向相同，可提供更好的热传导路径，有效将烧蚀过程中产生的热量导走，减少表面与基体之间的温度差异，有效抑制表面热裂纹的形成。
具体实施方式
[0021]为了便于理解本专利技术，下面将对本专利技术进行更全面的描述，并给出了本专利技术的较佳实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容的理解更加透彻全面。
[0022]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0023]一实施方式的碳纤维增强陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤S110～S120：
[0024]S110、按照0
°
无维布、碳纤维、网胎、碳纤维、90
°
无维布、碳纤维、网胎、碳纤维的顺序依次循环铺层并逐层针刺编制至设计厚度后，根据需要，将裸露在外的碳纤维裁剪至设计长度，得到碳纤维增强预制体。
[0025]可以理解，碳纤维为连续碳纤维，每层碳纤维与无维布、网胎重叠部分通过逐层针刺编制为一体，然后根据碳纤维增强陶瓷复合材料所需表面，仅将所需表面所在侧裸露在外的碳纤维裁剪至设计长度，其余各侧裸露在外的碳纤维剪除即可。
[0026]其中，碳纤维的直径为1μm～5μm。该直径范围的碳纤维具有合适的比表面积和比强度，从而确保后续填充陶瓷后，碳纤维与陶瓷之间具有较强的界面结合力，同时减少碳纤维的氧化风险。
[0027]每层碳纤维的铺设厚度≤20mm，以保证碳纤维层之间有足够的孔隙，便于后续陶瓷的渗透和填充，提高复合材料的密度和均匀性。进一步的，每层碳纤维的铺设厚度为0.1mm～0.5mm，以使碳纤维层更加紧密和致密，从而增强复合材料的抗热震性能和耐烧蚀性能。
[0028]相邻层碳纤维铺设方向之间的夹角为10
°
～30
°
，以使相邻碳纤维层之间具有一定的交叉和错位，从而增加复合材料的各向异性和抗剪切程度，同时也有利于陶瓷在不同方向上的渗透和分布。
[0029]需要说明的是，同层碳纤维的铺设角度相同。
[0030]进一步的，铺层密度为15层/cm～25层/cm，以保证裸露在外的碳纤维形成均匀的孔隙，便于后续陶瓷的渗透和填充，提高复合材料的密度和均匀性。同时，这样设置，也可使裸露在外的碳纤维具有一定的厚度，增强复合材料的抗热震性能和耐烧蚀性能。
[0031]进一步的，针刺密度为30针/cm2～60针/cm2，针刺深度为1mm～5mm，以使碳纤维与无纬布、网胎连为一体，增加预制体的机械性能和稳定性，提高其抗剪切强度和各向异性，在不损伤碳纤维的同时，又使该预制体具有合适的孔隙率和渗透性，保证了后续陶瓷的分布均匀性和界面结合强度，从而保证了复合材料的结构强度和耐烧蚀等性能。
[0032]上述步骤得到的碳纤维增强预制体，通过逐层针刺编制将碳纤维与无维布、网胎连为一体，且碳纤维从预制体内部延伸至表面，后续填充陶瓷后，得到的碳纤维增强陶瓷表面与基体具有更强的结合力，可有效提高表面的抗热震性能。且由于结合力提高，碳纤维增强陶瓷表面的厚度可以达到毫米级，从而具有更大的热容量和持久的耐烧蚀能力。
[0033]同时，每层碳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维增强陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按照0
°
无维布、碳纤维、网胎、碳纤维、90
°
无维布、碳纤维、网胎、碳纤维的顺序依次循环铺层并逐层针刺编制至设计厚度后，根据需要，将裸露在外的碳纤维裁剪至设计长度，得到碳纤维增强预制体；采用化学气相沉积法、先驱体浸渍裂解法、包埋法、熔渗法中的至少一种，在所述碳纤维增强预制体的孔隙中填充陶瓷，得到碳纤维增强陶瓷复合材料。2.根据权利要求1所述的碳纤维增强陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维的直径为1μm～5μm。3.根据权利要求1所述的碳纤维增强陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，每层碳纤维的铺设厚度≤20mm。4.根据权利要求3所述的碳纤维增强陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，每层碳纤维的铺设厚度为0.1mm～0.5mm。5.根据权利要求1所述的碳纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：石安红，霍树海，曹柳絮，刘春轩，蒋兆汝，邱振宇，吴云，陈浩宇，蒋小汉，王畅，戴青松，兰阳春，苏新，刘光武，
申请(专利权)人：湖南湘投轻材科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：