[发明专利]一种碳纤维增强陶瓷基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种碳纤维增强陶瓷基复合材料及其制备方法。

背景技术

随着新型发动机的研制和新概念航天运载器的发展，对高温结构材料提出了更高的要求。纤维增强陶瓷基复合材料因在高温下具有高强度、高韧性、耐高温、抗腐蚀性好和低密度等优良性能，在战略武器和空间技术等领域具有广泛的应用前景，近年来越来越受到材料工作者的重视。

陶瓷材料具有良好的高温强度、高温稳定性和高温抗氧化能力，但由于其分子结构的键合特点，缺乏塑性变形能力，表现为脆性，严重影响了其作为结构材料的应用。碳纤维拥有良好的高温力学性能和热性能，在惰性环境中超过2000℃仍能保持其力学性能不降低。用碳纤维增强陶瓷，材料在断裂过程中通过裂纹偏转、纤维断裂和纤维拔出等机理吸收能量，既增强了材料的强度和韧性，又保持了陶瓷良好的高温性能。其中，应用最广泛的碳纤维增强碳化硅复合材料缺点在于：碳纤维与碳化硅基体热膨胀匹配不够理想，碳化硅基体制备过程存在脱落裂纹等缺陷，影响复合材料的力学性能和热性能，制约了复合材料的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纤维增强陶瓷基复合材料及其制备方法，用以解决现有技术中的碳纤维增强碳化硅陶瓷材料本身缺陷导致力学性能和热学性能差的问题。

本发明提供了一种碳纤维增强陶瓷基复合材料，所述碳纤维为三维针织编织体，所述基体由3-4层碳、碳化硅和氧化钛依次叠层而成，最外层为氧化钛，保证复合材料的抗氧化性能。

本发明另一方面提供一种碳纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将碳纤维织物置于密闭容器中，抽真空后吸入酚醛树脂/酒精溶液，直至浸没织物；浸泡后取出，样品转移至高压釜中，升温并抽真空维持0.5～1h后加1～3MPa气压，保持1～2h后再升温150～180℃进行预固化，之后升温至190～230℃进行后固化，然后将样品置于900～1200℃氮气气氛下中裂解2～4h，获得热解碳层；

(2)再将试样置于密闭容器中，抽真空后吸入60～90℃的聚碳硅烷/乙烯基苯溶液，浸没编织物，浸泡后取出，样品转移至高压釜中升温，抽真空0.5～1h后，加1～3MPa气压1～2h，并升温至150～200℃进行固化4～8h，然后将样品置于1100～1300℃氮气气氛下裂解2～4h，获得热解碳化硅层；

(3)再将试样置于密闭容器中，抽真空后吸入钛酸脂/醇类溶液，浸没编织物，浸泡后取出，样品转移至高压釜中升温，抽真空0.5～1h后，加1～3MPa气压1～2h，并升温至150～200℃进行固化2～4h，然后将样品置于700～900℃氮气气氛下裂解2～3h；

(4)依次重复步骤(1)和(2)各2～5次；

(5)重复步骤(3)1～2次，获得复合材料。

进一步的，所述钛酸脂为钛酸四丁脂、钛酸四乙脂、钛酸乙脂、钛酸四异丙脂中的一种或几种的混合物。

采用上述本发明技术方案的有益效果是：

本方法在碳纤维表面制备热解碳，缓解碳纤维和陶瓷基体之间热膨胀系数的差异；在碳化硅层外表面制备氧化钛，氧化钛在高温时为熔融状态，填充碳化硅裂纹等缺陷，增加了基体的致密性；基体的最外层设置氧化钛，氧分子在氧化钛中的扩散速率非常低，进一步提高了抗氧化性能。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

本实施例提供一种碳纤维增强陶瓷基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将酚醛树脂搅拌溶解在酒精中，将碳纤维织物置于密闭容器中，抽真空后吸入酚醛树脂/酒精溶液，直至浸没织物；浸泡后取出，样品转移至高压釜中，升温至60℃并抽真空维持0.5h后加1MPa气压，保持1h后再升温150℃进行预固化，之后升温至190℃进行后固化，然后将样品置于900℃氮气气氛下中裂解2h，获得热解碳层；

(2)将聚碳硅烷搅拌溶解在乙烯中，再将步骤(1)所得试样置于密闭容器中，抽真空后吸入60℃的聚碳硅烷/乙烯基苯溶液，浸没编织物，浸泡后取出，样品转移至高压釜中升温，抽真空0.5h后，加1MPa气压1h，并升温至150℃进行固化4h，然后将样品置于1100℃氮气气氛下裂解2h，获得热解碳化硅层；