[发明专利]碳纤维/纳米纤维协同强韧陶瓷基复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种碳纤维/纳米纤维协同强韧陶瓷基复合材料及其制备方法，该制备方法借助上浆工艺将碳纳米管、SiC纳米线引入碳纤维，经纺织成型手段织造出多尺度预制体,通过化学气相渗透法、反应熔渗法、先躯体浸渍裂解法等工艺陶瓷基体致密化，制备出碳纤维/纳米纤维协同强韧陶瓷基复合材料；本发明提供的制备方法使碳纤维/碳纳米管/SiC纳米线的多尺度结构充分发挥尺度效应，协同强韧陶瓷基复合材料，借助浆纱工艺制备多尺度预制体，在不损伤碳纤维本身性能的前提下，满足大型、异型结构件的量产，解决了多种纳米纤维同时引入的技术问题，且实现了对掺杂纳米纤维含量、分布的控制，具有设备简单、工艺操控易、成本低的优点，利于大规模工业化生产。

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料技术领域，具体涉及一种碳纤维/纳米纤维协同强韧陶瓷基复合材料及其制备方法。

背景技术

先进陶瓷基复合材料被认为是航空航天领域，在高温、强气流冲刷、腐蚀和高应力振动载荷等服役环境下，较理想的热结构材料之一。碳纤维增强陶瓷基复合材料是采用高强度、高弹性的碳纤维增强陶瓷基体，兼具了碳纤维良好的高温力学性能和陶瓷基体的高温抗氧化性能，在航空航天热结构部件中得到广泛应用，在战略导弹、多用途导弹的喷管以及航天飞机热防护系统、固体火箭发动机导流管等领域也展现出广阔的应用前景，除此之外还应用于核聚变第一壁、液体火箭发动机、导弹端头帽及卫星窗框等。然而，陶瓷基体脆性大易产生裂纹乃至断裂导致材料失效，陶瓷基复合材料结构件的深度应用与材料装备的需求发展，迫切需要该材料强度和韧性力学性能的提升。

通过在陶瓷基复合材料中加入颗粒、晶须及纤维等改性，能够抑制裂纹的扩展进而达到补强增韧目的，是获取材料优良性能行之有效的方法。随着纳米材料的发展，其改性复合材料领域也是近年来研究的热点。

中国专利CN101284423B公开了一种碳纳米管/碳纤维多尺度混杂复合材料的制备方法，该方法采用超声波辅助电化学沉积的方法制备纳米复合纤维预制体，然后，在超声波和直流电场的双重作用下，按照复合材料液体模塑工艺(LCM)成型，如树脂传递模塑(RTM)、树脂膜熔渗(RFI)，使碳纳米管分散并沿电场方向取向，制得多尺度混杂复合材料；随后中国专利CN104327454B又公开了一种碳纳米管/连续纤维混杂增强复合材料的制备方法,该方法通过将表面活化的碳纤维浸入表面吸附胺甲基化聚丙烯酞胺阳离子的碳纳米管分散体系得到预制体，与树脂基体复合，提升复合材料弯曲性能、层间剪切强度和玻璃化转变温度。上述专利，采用化学沉积与化学接枝等方法无法避免高温、试剂对碳纤维本征性能的损伤，且难以实现对碳纳米管含量与分布的控制。

中国专利申请CN107673773A公开了一种石墨烯改性炭纤维增强碳化硅复合材料的制备方法，通过水热化学还原法将氧化石墨烯引入炭纤维预制体，再利用化学气相渗透工艺制备石墨烯改性碳纤维增强碳化硅复合材料，该方法一定程度上实现对石墨烯材料形貌和结构的控制，但是该方法在实际生产中对设备要求较高，针对大型件、规模化生产不具优势。

中国专利申请CN107686366A公开了一种纳米线和晶须协同增韧陶瓷基复合材料的制备方法，该方法通过在凝胶注模晶须预制体原位生长纳米线获取多孔预制体进而致密化制备陶瓷基复合材料的方法，该方法适合大型、异型复杂构件的生产，但是纳米线、晶须受限于自身的长径比，因碳纤维连续长度的独特优势未能发挥而制约了材料的性能潜力。

因此发展连续纤维与晶须、纳米线等协同强韧陶瓷基复合材料制备工艺，使其发挥微、纳等多尺度优点，是提高陶瓷基复合材料性能的需要。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种具有设备简单、工艺操控容易、成本低、可对掺杂纳米纤维含量、分布进行控制，利于大规模工业化生产的碳纤维/纳米纤维协同强韧陶瓷基复合材料及其制备方法，其技术方案如下：

一种碳纤维/纳米纤维协同强韧陶瓷基复合材料的制备方法，包括以下步骤：