[发明专利]碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及短碳纤维增强的硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

硅硼碳氮陶瓷复合材料本身的共价键结构赋予其较高的热稳定性、抗高温氧化、抗高温蠕变等性能，加之其具有密度低、弹性模量低等优点，是一种新型的多功能高温防热材料，用于航天器的机头锥帽、机翼前缘、舵面、盖板和喷管等。

然而，陶瓷本身的高共价键性又使其成为一种本质脆性材料，在使用过程中容易产生缺陷，导致灾难性的破坏，在一定程度上限制了其应用范围。因此，陶瓷的强韧化技术一直备受研究人员的关注。碳纤维不仅具有高比强度、高比模量、高热导率、低热膨胀系数、抗热震、耐腐蚀等优点，而且高温强度高，是1500℃以上高温惰性环境中唯一强度不下降的纤维材料。但是在氧化气氛下，不受保护的碳纤维在高于400℃温度下，会迅速氧化，从而失去强韧化作用。

与硅硼碳氮陶瓷复合材料的制备相类似，纤维或颗粒增强硅硼碳氮陶瓷复合材料的制备方法也以有机先驱体浸渍-转化法居多，如See Hoon Lee(Processing and properties of C-SiBCN fiber-reinforced ceramic matrix composites prepared by precursor impregnation and pyrolysis[J].Acta Materialia,2008,56:1529～1538),M.Weinmann (C_fiber/SiC_filler/Si-B-C-N_matrix composites with extremely high thermal stability[J].Acta Materialia,2009,57:4374～4381),王秀军（碳纤维增强SiBCN陶瓷基复合材料的制备及性能[J].宇航材料工艺，2013,43(2):47～51）等人在文献中做过相关报道。但是，有机先驱体浸渍-转化法具有有机原料有毒、成本高、工艺复杂、裂解导致材料中残留大量孔隙等缺点。另外，纤维增强复合材料的力学性能不仅与纤维和基体本身的性能有关，而且与纤维和基体之间的界面结构有关。碳纤维增强的硅硼碳氮复合材料中纤维与基体之间界面反应强烈，导致界面结合过强，过载条件下纤维和基体同时断裂，从而材料的断裂韧性不够高，即纤维的强韧化效果不明显。

发明内容

本发明是要解决现有的纤维增强硅硼碳氮陶瓷复合材料制备工艺复杂、成本高以及由于界面结合过强导致的纤维强韧化效果不明显的问题，而提供了碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料及其制备方法。

本发明的碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料由短碳纤维、酚醛树脂、丙酮和硅硼碳氮陶瓷复合粉末制备而成；所述的硅硼碳氮陶瓷复合粉末由硅粉、石墨和六方氮化硼粉体球磨混合而成；所述的短碳纤维与酚醛树脂的质量比为1：（1～12）；所述的酚醛树脂的质量与丙酮的体积的比为（10～60）g：1L；所述的短碳纤维与硅硼碳氮陶瓷复合粉末的体积比为（5～35）：100；所述的硅粉与石墨的质量比为1：（0.1～1.5）；所述的硅粉与六方氮化硼粉体的质量比为1：（0.1～1.2）；所述的短碳纤维长度为1mm～2mm，单丝直径为6μm～7μm；所述的硅粉纯度为99%～99.9%，粒径为1μm～20μm；所述的石墨纯度为99%～99.9%，粒径为1μm～20μm；所述的六方氮化硼粉体纯度为99%～99.9%，粒径为1μm～20μm。

本发明的碳/碳纤维-硅硼碳氮陶瓷复合材料的制备方法按照以下步骤进行：

一、将酚醛树脂溶解在丙酮中，配制成碳涂层先驱体浸渍溶液；所述的酚醛树脂的质量与丙酮的体积的比为（10～60）g：1L；

二、将短碳纤维放在无水乙醇中，在超声频率为20KHz～50KHz下振荡25min～35min，然后置入干燥箱中，在温度为90～110℃下干燥30min～200min，然后放入步骤一中得到的碳涂层先驱体浸渍溶液中，在超声频率为20KHz～50KHz下浸渍15min～25min，取出后自然干燥，然后放入高温管式炉中，在氩气气氛保护和温度为500～1000℃的条件下，裂解20min～120min，得到碳涂层包覆的短碳纤维；步骤二中所述的碳涂层包覆的短碳纤维中短碳纤维的质量分数为70%～95%；步骤二中所述的短碳纤维与步骤二中的碳涂层先驱体浸渍溶液中酚醛树脂的质量之比为1：（1～12）；