[发明专利]一种自封锁层状CNT纸/SiC梯度纳米复合材料及制备方法

说明书

本发明公开了一种自封锁层状碳纳米管纸/SiC梯度纳米复合材料及制备方法，包括层向封闭的多层复合材料，所述的多层复合材料至少包含相互层叠的结构层和界面层；所述的结构层为B₄C改性CNT纸/SiC复合材料层；所述的界面层为膨胀石墨和SiC晶须弥散强韧的树脂碳层；其中结构层中的SiC含量沿厚度方向呈梯度变化；所述的结构层的厚度为200～500μm；所述的界面层的厚度为20～50μm。本发明采用膨胀石墨、SiC晶须均匀弥散分布于其中的树脂碳将多层CNT纸/SiC复合材料结构层焊接起来；且逐步改变碳纳米管纸多孔预制体中的Si含量，使最终由树脂碳‑熔融Si原位反应生成的CNT纸/SiC纳米复合材料SiC含量沿厚度方向递增，形成组成与结构成梯度变化的类树木年轮状的自封锁层状复合材料。

技术领域

本发明属于纳米复合材料领域，具体涉及一种自封锁层状CNT纸/SiC梯度纳米 复合材料及制备方法。

背景技术

碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)是一种具有优异的力学、电学和热学性能的轻质材料。CNTs最具潜力应用之一就是发展纳米复合材料。CNTs具有大量的潜在 应用是由于其非常大的长径比(1000～10,000)、低密度、高刚度(杨氏模量约为1 TPa)。而且，CNTs还具有优异的热传导性(沿轴向室温条件下，单根单壁碳纳米管 (Single Wall Carbonnanotube,SWCNT)，6600W/mK；单根多壁碳纳米管(Multi-wall carbon nanotube,MWCNT)，3000W/mK)和优异的电传导性(沿轴向室温条件下， MWCNT的电导率为700～1400S/m))，这使得CNTs成为制备具有新的功能性纳米 复合材料的非常合适的候选材料。

陶瓷基复合材料的制备由于CNTs在基体中的强烈团聚而受限，而且，由于其性 能具有明显的各向异性，在平行于其轴向CNTs具有很高的强度和刚度，且是极其优 异的电和热的导体，而在垂直于其轴向要柔软得多，且电和热传导性显著降低，故而 CNTs在陶瓷基体中的随机排布也会使其优异性能的发挥受限。因此，CNTs的分散 性、排布的规律性及其体积含量的高低都将成为纳米复合材料制备的限制步骤。

热应力是复合材料损伤和破坏的重要因素。当两异种材料直接连接或复合时，较大的应力出现是降低材料使用可靠性的关键因素。无论复合材料制备过程还是服役过 程，因温度变化引发的残余应力是复合材料损伤和破坏的重要因素。在复合材料的两 相界面处，热膨胀系数的急剧改变导致奇异点，伴随着在界面层弹性应力趋向无穷大。 若让性能在材料厚度方向连续改变，则奇异点可消失。这样一种设计允许热膨胀系数 逐步改变，使加热或冷却过程引起的热应力最小化，故材料组成的空间梯度分布设计 提供了一种解决热应力问题的途径。因此功能梯度材料(Functioanlly Graded Materials, FGMs)具有用于热结构-热防护材料的绝对优势。自封锁闭环层状梯度结构的设计对 于防止应力导致的裂纹扩展及防腐蚀、抗氧化及防环境干扰等方面具有突出优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自封锁层状CNT纸/SiC梯度纳米复合材料及制备方法，该方法制备的纳米复合材料中CNTs体积含量高且分散性好，CNTs的排布具有 方向性，梯度层间具有适中的结合，CNTs与基体间结合良好，显微结构均匀致密， 热、电传导性好，抗氧化性好，抗腐蚀性好、强韧性好，而且制备周期短，成本低廉。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

一种自封锁层状CNT纸/SiC梯度纳米复合材料，包括层向封闭的多层复合材料，所述的多层复合材料至少包含相互层叠的结构层和界面层；

所述的结构层为B₄C改性CNT纸/SiC复合材料层；

所述的界面层为膨胀石墨和SiC晶须弥散强韧的树脂碳层；

其中结构层中的SiC含量沿厚度方向呈梯度变化；