[发明专利]一种原位碳化硅纳米线增韧碳化硅陶瓷的制备方法

说明书

本发明公开了一种原位碳化硅纳米线增韧碳化硅陶瓷的制备方法，利用聚碳硅烷的热解反应，在合成碳化硅块体陶瓷的同时，在其内部和表面原位生长碳化硅纳米线，通过进一步的前驱体浸渍裂解(PIP)致密化工艺，制备高致密度的碳化硅纳米线增韧碳化硅陶瓷，借助纳米线的增韧作用，减少碳化硅陶瓷的开裂趋势，提升其抗热震性能。

技术领域

本发明属于碳化硅(SiC)陶瓷的制备技术领域，尤其涉及一种原位反应生长SiC纳米线增韧SiC陶瓷的制备方法。

背景技术

SiC陶瓷表现出优异的高温力学性能，作为航空航天热结构部件使用具有极大的应用潜力。但由于SiC陶瓷的固有脆性，在实际应用中极易开裂失效。当前，固有脆性已成为制约SiC陶瓷广泛应用的瓶颈问题。针对这一问题，国内外研究者提出了许多解决方法，在SiC陶瓷制备过程中引入弥散分布的纳米尺度增韧相，是改善其韧性的有效手段。相较于块体SiC，SiC纳米线具有更加优异的力学性能，其特有的高强度、室温超塑性以及其与SiC陶瓷良好的物理化学相容性使得其成为SiC陶瓷的理想增韧材料。

现有技术表明，高体积分数SiC纳米线的引入，能够有效提高SiC陶瓷的韧性；采用化学气相渗透(CVI)工艺在多孔SiC陶瓷中生长了SiC纳米线，结果表明，引入纳米线后，多孔陶瓷的弯曲强度和断裂韧性分别提升了90.4％和49.1％。然而，当前SiC纳米线的引入多采用直接添加购买的商业SiC纳米线或CVI工艺生长等方式，而商业SiC纳米线存在纯度不一、分散困难等问题，CVI工艺存在对设备要求高、工艺依赖性强、成本高等缺点。因此，有必要发展一种低成本快速制备技术，实现纳米线在SiC陶瓷中的均匀分布，进而显著改善陶瓷韧性。

前驱体转化技术具有制备温度低、工艺简单、近净成型等优点，在制备各种形式的陶瓷材料方面具有巨大的应用前景。聚碳硅烷(polycarbosilane，PCS)是目前制备SiC陶瓷材料应用广泛的前驱体材料，研究发现，PCS在裂解转变成SiC块体陶瓷的同时，分解产生的气体可以生成一维SiC纳米线。现有技术中，将PCS粉末和多孔氧化铝基体分别放置于管式炉的上游和下游区域，利用PCS高温下裂解生成的SiO和CO气体在多孔氧化铝基体中合成了SiC纳米线，而PCS裂解生成的SiC陶瓷粉末残留在管式炉上游区域，成为制备过程副产物。该方法中PCS仅仅作为生长SiC纳米线的原材料，成本较高，且生成的SiC纳米线与PCS转化成的SiC陶瓷分离，没有原位生成在基体上起到增强增韧的作用。另有以活性炭、SiC微粉、PCS粉末、催化剂等为原料制备胚体，通过胚体热处理和氧化去除活性炭等工艺制备了由SiC纳米线和SiC微粉组成的泡沫材料。该方法虽然实现了SiC纳米线在SiC陶瓷中的原位生长，但由于杂质碳的引入，导致只能生成力学性能较差的泡沫材料。

发明内容

为了解决SiC陶瓷的强韧化问题，为了克服现有方法制备SiC纳米线增韧陶瓷过程中存在的纳米线分散性不易控制、成本高、工艺复杂等不足，同时实现SiC纳米线的原位生长和致密SiC陶瓷的合成，本发明提出一种原位反应生长SiC纳米线增韧SiC陶瓷的制备方法，具体技术方案如下：

一种原位碳化硅纳米线增韧碳化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：预氧化处理；

将聚碳硅烷即PCS在玛瑙研钵中粉碎，过200目筛，放置于刚玉坩埚中，将刚玉坩埚置于箱式炉中空气气氛下进行预氧化处理；

S2：制备前驱体粉末；

分别称取质量分数为0.2～2.5％的二茂铁、47.5～49.8％的经步骤S1预氧化处理的PCS粉末和50％的二甲苯配成混合溶液，磁力搅拌1～2h后烘干，碾磨成粒度为200目的前驱体粉末备用；

S3：制备混合溶液；

分别称取质量分数为20～50％的经步骤S1预氧化处理的PCS粉末和50～80％的二甲苯配成混合溶液，磁力搅拌1-2h，混合均匀备用；