[发明专利]一种高导热CNTs定向改性陶瓷基复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种高导热CNTs定向改性陶瓷基复合材料的制备方法，将预制体在高温炉中进行界面层与基体制备，使预制体的相对密度达到30％～70％；利用超短脉冲激光制备陶瓷基复合材料厚度方向定向孔；利用超声分散制成CNTs溶液，结合真空浸渍法封填形成CNTs定向柱；利用CVI法进一步致密预制体，最终获得高导热CNTs定向改性陶瓷基复合材料。该工艺的优点：(1)高导热的CNTs定向柱结构极大地提高了复合材料的厚度方向的热导率；(2)CNTs层间分散结构与CNTs定向柱形成了强大的导热网络，提高复合材料整体导热性；(3)定向孔具有设计性，可根据工程需求设计尺寸、间距及分布，操作简单。

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料的制备方法，涉及一种高导热CNTs定向改性陶瓷基复合材料的制备方法。具体是结合超短脉冲激光在预制体厚度方向设计加工的定向孔，采用真空浸渍CNTs溶液工艺对陶瓷基复合材料进行改性，在陶瓷基复合材料内部形成CNTs定向封填柱与CNTs层间分散结构，最终构建了CNTs导热网络，所制备的改性陶瓷基复合材料具有优异的致密性与导热性，相对密度提高10～33％，热导率提高10～40倍。

背景技术

陶瓷基复合材料是一种集金属材料、陶瓷材料和纤维材料性能于一体的热结构/功能一体化材料，广泛应用于航空和航天发动机热端部件、空天飞行器热防护系统、深空探测超轻结构等领域。新一代高超声速飞行器的研制已将陶瓷基复合材料作为首选设计用防热结构材料，主要用于飞行器的关键热结构。当飞行器的飞行速度达到5Ma以上时，其气动加热可产生2000℃以上的高温及高的热梯度。由于陶瓷基复合材料的热导率仅为～10W/m·K，这些热载荷极易集中在防热结构的尖端部位，造成超高温热烧蚀，引起防热材料过快失效。因此，本领继续研发一种高导热陶瓷基复合材料，通过提高防热结构材料的导热率，将局部过高的热载荷快速传递到低温区域，从而降低超高温烧蚀对局部结构的损伤，提高防热效果和寿命。

目前美国Amoco公司和日本Mitsubishi Chemical公司开发研制的商业化高导热中间相沥青纤维走在世界的前沿，高热导率源于沿纤维轴向微晶的高度择优取向结构，但其关键原材料中间相沥青基碳纤维及中间相沥青属于战略物资，并对我国技术封锁。因此，利用高导热材料对陶瓷基复合材料进行改性成为了主流方向。Gong MQ等利用浆料浸渍将CNTs渗透到单层碳纤维布中，之后将每层纤维布进行叠层、压制，制备了CNTs-碳纤维多尺度预制体，但CNTs总体分散不均匀。美国特拉华大学复合材料中心的Bekyarova等利用电泳沉积制备了CNTs在碳纤维表面分散均匀的多尺度预制体，表明该工艺可实现多尺度预制体工程规模生产，但CNTs与碳纤维之间只是简单的物理附着，容易脱落。2009年Chen等在Materials Chemistry and Physics利用原位生长CNTs诱导生成的粗糙层热解碳导致C/C复合材料的导热性能大幅提高，但不适于批量化生产。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高导热CNTs定向改性陶瓷基复合材料的制备方法，解决陶瓷基复合材料导热性差的技术问题，提供了一种可实现工程应用量产的高导热CNTs定向改性陶瓷基复合材料及其制备方法，显著提升陶瓷基复合材料的导热性能。

技术方案

一种高导热CNTs定向改性陶瓷基复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、陶瓷基复合材料预制体的制备：将纤维二维依次叠层缝合后，获得体积分数约为25～35％的纤维预制体；将纤维预制件置于高温真空炉中，沉积温度850～1000℃，气氛压力0.2KPa，丙烯流量30ml/min，Ar流量300ml/min，沉积50～60h冷却后制备复合材料界面；