一種原位生長碳化硅納米線增強多孔碳復合材料的制備方法與流程

本發(fā)明屬于航空航天飛行器熱防護系統(tǒng)(TPS)領域，涉及到在多孔碳復合材料內原位生長碳化硅納米線增強相的制備方法，克服了多孔碳復合材料強度低的問題。

背景技術：

多孔碳復合材料即為短切纖維連接碳基體形成的孔隙率很高的復合材料，自從1960年美國建立了橡樹嶺國家實驗室以來，多孔碳復合材料得到了很好地發(fā)展。由于其輕質(密度0.3g/cm³-1g/cm³)高的孔隙率(60％-90％)，低的熱傳導系數(shù)(在Z方向熱傳導率0.204Wm^-1K^-1到0.894Wm^-1K^-1,在XY方面熱傳導率0.314Wm^-1K^-1到1.888Wm^-1K^-1)，高溫結構的穩(wěn)定性，容易成型，并有望應用于航空航天飛行器熱防護的關鍵部件。如：飛行器鼻錐、噴管、喉襯、機翼前緣、燃燒舵、發(fā)動機熱端等部位。但多孔碳復合材料固有的缺點是強度低，這嚴重制約著其廣泛的應用前景,加入增強相，能夠有效的提高多孔碳復合材料的強度。

碳化硅納米線可以作為理想的增強相，然而用碳化硅納米線增強多孔碳復合材料，制備主要存在以下技術難點。

碳化硅納米線容易團聚，不好分散，若采用球磨極易破壞碳化硅納米線的結構。

為了得到碳化硅納米線增強多孔碳復合材料，需要從制備工藝入手。在不破壞多孔碳復合材料的結構基礎之上，考慮將碳化硅納米線均勻分散到多孔碳復合材料中起到增強作用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是通過將硅加熱蒸發(fā)，生成氣體，氣體進入多孔碳復合材料胚體的孔隙中，在一定溫度條件下和碳反應生長出碳化硅納米線，然后經過進一步處理形成多孔碳復合材料。解決了制備碳化硅納米線增強多孔碳復合材料的技術難點，提高了多孔碳復合材料的強度。

本發(fā)明的技術方案：

一種原位生長碳化硅納米線增強多孔碳復合材料的制備方法，步驟如下：

(1)制備多孔碳復合材料胚體

將羥乙基纖維素溶于蒸餾水中形成質量百分濃度為1％-2％的分散劑，然后將長度1-5mm的短碳纖維與粒徑≤0.1mm的酚醛樹脂顆粒分散到分散劑中，攪拌得到短碳纖維質量百分濃度為0.65％-2.4％溶液，將溶液加入底部有石膏塊的容器中，吸水，最終形成短碳纖維夾雜酚醛樹脂顆粒的塊狀體，烘干，在200℃下固化2h，然后在1000℃真空條件下碳化1h，形成多孔碳復合材料胚體；其中短碳纖維與酚醛樹脂顆粒質量比為3:5；

(2)制備碳化硅納米線增強多孔碳復合材料

硅粉置于容器中，在硅粉上加入步驟(1)制備得到的多孔碳復合材料胚體，在真空或惰性氣體條件下升溫至1500℃保溫30min，生成帶有碳化硅納米線的胚體；將帶有碳化硅納米線的胚體置于質量百分濃度為30％-50％的酚醛樹脂溶液中抽真空浸漬，然后晾干，200℃固化2h后再1000℃真空碳化1h，得到碳化硅納米線增強多孔碳復合材料。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明利用羥乙基纖維素溶于水中形成良好的分散劑，能夠將短碳纖維和酚醛樹脂顆粒均勻的分散。經后期吸水干燥以及固化碳化后，形成一種孔隙率高、孔隙直徑大的多孔碳復合材料胚體，為后期硅蒸汽的進入，與內部的碳反應生成碳化硅納米線提供了很好的通道，解決了制備碳化硅納米線增強多孔碳復合材料中碳化硅納米線分散難的問題，推動了其廣泛的應用前景。

附圖說明

圖1是多孔碳復合材料胚體的局部放大電子顯微照片。

圖2是圖1經過碳化硅納米線的生長后局部放大電子顯微照片。

圖3是本實施例中多孔碳復合材料的斷面電子顯微照片。

具體實施方式

以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施方式。

實施例

一種原位生長碳化硅納米線增強多孔碳復合材料及制備方法，步驟如下：

(1)將羥乙基纖維素溶解到蒸餾水中，用磁力攪拌器攪拌4個小時，再靜置10個小時，形成濃度為1.2％的溶液。

(2)將質量為3克的短碳纖維(長度3mm)和質量為5克的酚醛樹脂顆粒(粒徑0.1mm)加入上述的溶液中，用磁力攪拌器攪拌2小時，待酚醛樹脂，短碳纖維分散均勻。

(3)將分散好的溶液倒入到玻璃管中，底部用石膏塊吸水12小時最終形成短碳纖維夾雜樹脂顆粒的塊狀體。

(4)將(3)中塊狀體烘干，放入高溫爐200度固化2h，再在高溫爐內真空條件下1000度進行碳化1h，最終形成多孔碳復合材料胚體。

(5)將硅粉放到噴有氮化硼的坩堝底部，上面放上噴有氮化硼的多孔石墨薄片，在石墨薄片上放上多孔碳復合材料胚體。

(6)將石墨坩堝放到管式爐里面，真空條件下升溫至1500℃保溫3h生成碳化硅納米線，待冷卻室溫拿出。

(7)將酚醛樹脂溶于酒精中，制成濃度為40％的酚醛樹脂溶液，將(6)生成的帶有碳化硅納米線的胚體放入到樹脂溶液中抽真空浸漬30min，然后晾干，在高溫爐中200℃固化2h，再在高溫爐內真空條件下1000℃保溫1h進行碳化，最終形成碳化硅納米線增強多孔碳復合材料。

本實施例中所制得材料的性能結果如下：

密度：0.574g/cm³

孔隙率：66.7％

XY面彎曲強度為11.88Mpa

Z面彎曲強度為4.77Mpa

XY面壓縮強度3.89Mpa

Z面壓縮強度4.4Mpa

從圖1多孔碳復合材料胚體微觀結構可以看出，纖維與基體之間形成的孔隙非常多且孔徑很大，這為硅蒸汽的進入形成碳化硅提供了很好的通道。從圖2碳化硅納米線生長后的微觀照片可以看出，在多孔碳復合材料胚體中有大量的碳化硅納米線生成，這些碳化硅納米線均勻分散在碳纖維與基體碳中，將碳纖維與基體連接在一起。

從圖3復合材料的斷面電子顯微照片可以看出，在碳化硅納米線增強多孔碳復合材料斷裂時，在斷口還有明顯的納米線拔出，留下的小的空隙，這說明了納米線在多孔碳復合材料斷裂時起到了增強的作用。

綜上所述，本發(fā)明能夠通過原位生長將大量的碳化硅納米線均勻分散在多孔碳復合材料中，提高了多孔碳復合材料的強度，為多孔碳復合材料的使用提供了保障。