[发明专利]陶瓷和碳纳米纤维复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷和碳纳米纤维复合材料及制备方法，具体是原位生长一步法制备 碳纳米纤维和陶瓷复合材料，属于材料制备技术领域。

背景技术

陶瓷具有低密度、高硬度、优良的高温性能等优点，是航空航天、能源和建筑等高技 术和民用领域的重要材料。纤维复合陶瓷材料利用高性能的纤维可增韧和强化陶瓷、阻止 裂纹，提高陶瓷的力学性能，同时可获得导电和功能特性的材料。传统的纤维和陶瓷复合 材料通常是基于微米级直径的碳纤维与陶瓷制备的，制备的方法是将纤维制备成预制体， 通过液相或气相渗透等方式与陶瓷复合，经过烧结或热解制得纤维和陶瓷复合材料。碳纤 维直径较大、表面为惰性且韧性较低，它与陶瓷基体存在界面不匹配、热或结构应力等问 题，影响了复合材料的力学、耐高温、抗氧化和抗热冲击等性能。

碳纳米纤维是直径为纳米级的碳纤维材料，包括实心的碳纳米纤维和空心的碳纳米管 材料，其具有高的长纵比、高比表面积、高强度、高模量、高韧性和高导电性、高导热性 等优异的物理、力学和功能特性，是增强陶瓷材料的理想材料(W.A.Curtin and B.W. Sheldon，“CNT-Reinforced Ceramics and Metals，”Materials Today，7，44-49(2004))。目前， 采用碳纳米纤维增强陶瓷主要是将制备出的碳纳米纤维加入到陶瓷中，通过机械或液相等 混合或分散，进而进行烧结或热解制备。另一个复合途径是在陶瓷粉末颗粒上先生长出碳 纳米管，进而对复合粉末烧结制备碳纳米管和陶瓷复合材料(E.Flahaut，A.Peigney，Ch. Laurent，Ch.Marliere，F.Chastel F and A.Rousset，“Carbon Nanotube-Metal-Oxide Nanocomposites：Microstructure，Electrical Conductivity and Mechanical Properties，”Acta Mater，48，3803-12(2000))。但是这些方法存在着共性的问题，即碳纳米纤维在陶瓷中容易 团聚，难以达到均匀复合；同时，碳纳米纤维在基体中随机分布，非取向的，由于团聚问 题，难以达到较高体积的分散。这些困难是限制复合材料性能提高的主要问题(X.T.Wang， N.P.Padture and H.Tanaka，“Contact-Damage-Resistant Ceramic/Single-Wall carbon Nanotubes and Ceramic/Graphite Composites，”Nat.Mater.3，539-544(2004))。另一方面， 采用这些方法由于碳纳米纤维分布在陶瓷颗粒表面，其在陶瓷烧结过程中阻止颗粒间的烧 结，使材料难以致密化，而采用的高温烧结或快速的等离子体烧结由于高的烧结温度，易 损伤复合体内的碳纳米纤维的结构，从而影响复合材料的性能(C.Balazsi，Z.Konya，F. Weber，L.P.Biro and P.Arato，“Preparation and Characterization of Carbon Nanotube Reinforced Silicon Nitride Composites，”Materials Science and Engineering，23，1133-37 (2003))。

针对以上问题，本发明提供了在陶瓷基体中原位生长的碳纳米纤维和陶瓷复合材料及 其制备方法。原理为在烧结或热解制备陶瓷的过程中利用在陶瓷体内形成的孔隙中直接生 长出碳纳米纤维。生长碳纳米纤维的原理是依据碳纳米纤维在一定温度下可在铁、钴、镍 等金属催化剂上催化裂解含碳气氛形成(A.C.Dupuis，“The Catalyst in the CCVD of Carbon Nanotubes：a Review，”Progress in Materials Science，50，929-61(2005))。