[发明专利]一种纳米界面层/碳纳米管-C/C复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供的一种纳米界面层/碳纳米管‑C/C复合材料及其制备方法，包括以下步骤：步骤1，将碳纤维预制体浸泡入含有催化剂前驱体的水溶液中，得到搭载有催化剂前驱体的碳纤维预制体；步骤2，在搭载有催化剂前驱体的碳纤维预制体上采用化学气相沉积法生长碳纳米管；步骤3，将步骤2得到的预制体放置于沉积炉中，采用化学气相沉积法在碳纳米管的表面沉积一层纳米界面层；步骤4，采用化学气相渗透法对步骤3得到的预制体进行沉积PyC致密化，得到致密化后的复合材料；步骤5，将致密化后的复合材料放入石墨化炉中高温热处理，得到纳米界面层/碳纳米管‑C/C复合材料；本发明利用CVD工艺在CNT表面包覆一层纳米界面层，相比于纯CNT‑C/C复合材料，本发明制备的纳米界面层/CNT‑C/C复合材料中，纳米界面层有效改善了CNT与PyC间的界面结合特性和结合强度，促进了CNT的长拔出，实现CNT对C/C复合材料的有效强韧化。

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，特别涉及一种纳米界面层/碳纳米管-C/C复合材料及其制备方法。

背景技术

碳/碳(C/C)复合材料拥有着碳素材料耐高温性能的同时，又有着碳纤维增强复合材料所具有的极佳力学性能。除此之外，C/C复合材料的抗烧蚀、抗冲刷、抗热震、优异的摩擦性能等这些独特的性质，使得其逐渐成为航空、航天、军事等高科技领域的宠儿，有着无可替代的地位和作用。近年来，我国航空航天及国防科技快速发展，如高推重比空天发动机、高超声速空天飞行器等，对高强高韧C/C复合材料的需求也越加迫切。虽然C/C复合材料在应用上非常广泛，但其在结构和性能上仍然存在着许多不足，如纤维预制体编织盲区内的碳基体未能得到有效强化，机械加工或热处理导致材料性能弱化等，使得C/C复合材料的强韧性能不是很理想。

碳纳米管(CNT)是一种具有优异力学、电学和热学性能的结构和功能材料，具有1000:1的超大长径比，比传统的碳纤维高出一个数量级，是名副其实的“超级纤维”。近些年研究发现，将CNT嫁接于碳纤维表面，构建“CNT-纤维多尺度增强体”，可有效补强纤维周围的热解碳(PyC)基体，实现了复合材料多尺度混杂强韧化，大幅度提升了复合材料的整体综合力学性能。目前，公开报道的CNT增强C/C复合材料的研究工作已经实现了CNT对层间、层内碳纤维及其束间、编织空隙等多部位碳基体的强化，CNT长度越长、取向性越好，C/C复合材料的力学强度提高幅度越大。然而，服役过程中CNT/PyC基体依然表现出“断崖式”的脆性断裂，CNT呈现出“针尖状”短拔出，C/C复合材料的断裂韧性仍然不尽如意。CNT虽然实现了碳基体多尺度混杂强化，但CNT只改变了PyC的内部组织结构，CNT自身增强增韧效果未能有效发挥出来。这主要归因于CNT与PyC间界面结合过强。CNT与PyC之间可能存在由碳原子sp²或sp³杂化形成的键，同时CNT表面存在的原子缺陷和结构凹陷与PyC形成互相钳合的界面结构，导致CNT-PyC界面结合过强，极大抑制了CNT在C/C复合材料中的强韧机制，这也因此导致CNT对C/C复合材料强韧性能的改善远不及预期。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米界面层/碳纳米管-C/C复合材料及其制备方法，解决了现有的碳/碳复合材料中碳纳米管自身增强增韧效果未能有效发挥出来，导致CNT/PyC基体表现出“断崖式”的脆性断裂的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种纳米界面层/碳纳米管-C/C复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将碳纤维预制体浸泡入含有催化剂前驱体的水溶液中，得到搭载有催化剂前驱体的碳纤维预制体；

步骤2，在搭载有催化剂前驱体的碳纤维预制体上采用化学气相沉积法生长碳纳米管；

步骤3，将步骤2得到的预制体放置于沉积炉中，采用化学气相沉积法在碳纳米管的表面沉积一层纳米界面层；

步骤4，采用化学气相渗透法对步骤3得到的预制体进行沉积PyC致密化，得到致密化后的复合材料；