[发明专利]碳化硅和碳纳米管的复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种碳化硅和碳纳米管的复合材料及其制备方法，具体是以碳纳米管宏观体为预制体，采用化学气相沉积法热解含硅前驱体将碳化硅沉积于碳纳米管宏观体，制备碳化硅和碳纳米管的复合材料，属于纳米材料领域。

背景技术

碳化硅复合材料具有轻质、高强、高韧性、耐高温、抗热震，等优异的力学和高温性能，并具有高导电、高导热等物理性能，广泛应用于航空航天、国防装备等高技术领域，在机械、化工、电子工业等领域也有广泛的应用。

碳纳米管(CNT)具有一维纳米结构、高的比表面积，具有高强度、高模量、高韧性和高导电、高导热性以及电场发射等性能。这些优异的结构、力学、物理和功能性能使碳纳米管成为发展新型高性能、高导电导热复合材料和功能材料的理想材料。

将碳纳米管作为增强体与碳化硅进行复合利用碳纳米管高的比表面积、高强度、高模量和高韧性等性能可与碳化硅基体匹配构成良好的界面结合，具有小的界面应力，有望获得高强、抗冲击、耐高温和抗热震的高性能纤维增强碳化硅复合材料。

利用碳纳米管独特的一维纳米结构、高导电和高导热性能，可在碳化硅基体中形成相互连接的导电和导热网络，实现复合材料承载、服役和实效应力的实时监测，发展具有智能特性的新型碳化硅基复合材料。

 中国专利CN201010540199.9A公开了一种原位生长有碳纳米管的碳化硅纤维立体织物，该碳化硅纤维立体织物主要由碳化硅纤维编织而成，原位生长的碳纳米管均匀分布在碳化硅纤维表面，碳纳米管相互缠绕成网状结构。其制备方法包括以下步骤：首先对碳化硅纤维立体织物进行预处理；再采用催化剂前驱体真空浸渍-还原法加载Ni-La-Al复合催化剂；最后进行化学气相沉积，使碳化硅纤维立体织物上原位生长出碳纳米管。该方法使用了催化剂，工艺复杂，条件较为苛刻，成本较高。

采用化学气相沉积法以碳纳米管组成的宏观体为预制体制备出碳化硅和碳纳米管的复合材料未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳化硅和碳纳米管的复合材料及其制备方法。以碳纳米管组成的宏观体为预制体，采用化学气相沉积法制备出碳化硅和碳纳米管的复合材料。电加热作为高效的局域加热方法可实现快速加热高效碳化硅沉积用于制备碳化硅和碳纳米管的复合材料。本发明可制备出各种碳纳米管含量和均匀分散的碳化硅和碳纳米管的复合材料。并且还可制备出碳纳米管具有单向排列的碳化硅和碳纳米管的各种碳纳米管取向的碳化硅和碳纳米管的复合材料。

化学气相沉积法可在碳纳米管表面形成均匀的碳化硅层，具有反应可控和沉积碳化硅可控等优点，通过控制沉积温度、时间和气压等参数可调控碳化硅的含量和厚度，这些具有均匀碳化硅层包覆碳纳米管结构的碳化硅和碳纳米管的复合材料具有高强、高导电导热和抗氧化等性能，作为高性能结构和功能材料用于相关领域。

本发明提供的碳化硅和碳纳米管的复合材料是以碳纳米管和含硅前驱体为原料，在电加热沉积装置中碳纳米管宏观体为预制体，通过化学气相沉积热解含硅前驱体，将碳化硅沉积于碳纳米管宏观体，形成不同碳纳米管含量和碳纳米管构造的碳化硅和碳纳米管的复合材料。碳纳米管的质量分数可为0.5-90%。可选地，碳纳米管的质量分数可为5-85%，

所述的碳纳米管是单壁碳纳米管，双壁碳纳米管，多壁碳纳米管的一种或几种的混合物。

所述的碳纳米管宏观体是碳纳米管纤维或碳纳米管纤维构成的预制体。

所述的含硅前驱体为甲基氯硅烷、甲基硅烷、含硅化合物或含碳化合物混合物的一种或几种的混合。

所述的碳化硅沉积所用的温度为1000-1200 oC。

所述的碳化硅沉积所用的载气为氢气、氩气、氮气中的一种或几种的混合。

所述的碳化硅沉积所用的气压为10-101 kPa。

本发明提供的碳化硅和碳纳米管的复合材料具体制备方法包括的步骤：

将碳纳米管纤维按常规方法加工成确定形状的碳纳米管宏观体作为预制体，预制体置于电加热沉积装置内两电极之间，通氩气1-2 h排除石英管内的空气，打开电源，电压设置为15-22 V，对预制体通电加热，控制预制体温度900-1400 oC，采用氢气，氩气，氮气为载气（流量20-40 sccm），优选氩气，将含硅前驱体载入石英管，石英管内的气压为1-101 kPa，硅前驱体热解将碳化硅沉积于预制体，沉积时间为15-45 min，断电停气，自然冷却至室温。

本发明提供的碳化硅和碳纳米管的复合材料具体制备方法包括的步骤：