[发明专利]一种纤维增强体及其制备方法

说明书

本发明涉及一种纤维增强体及其制备方法，是通过在纤维编织体表面原位生长多级SiC纳米线而形成的所述增强体，所述多级SiC纳米线包括亚微米尺度和纳米尺度，其中亚微米尺度为0.1μm～1μm，纳米线尺度为5 nm～100 nm。本发明首次创新性地探索出纤维表面原位生长多级SiC纳米线增强体的制备方法，获得所需的多级SiC纳米线增强体。本发明制备工艺方法简单、生长易控制、安全性高。

技术领域

本发明属于复合材料制备领域，涉及一种纤维原位生长多级SiC纳米线的增强体及其制备的方法。

背景技术

在陶瓷基复合材料中，通过向陶瓷基体中引入微米尺寸的纤维使复合材料实现强韧化，改善陶瓷基体对于破坏的容忍度。但对于纤维束间、层间的微区基体而言，微区内的基体依旧保持着固有的脆性。在服役过程中，由于纤维与陶瓷基体的热膨胀系数不匹配，当服役环境温度发生变化时，在复合材料微区脆性基体中会产生大量微裂纹，微米尺寸的纤维不足以抵抗所产生的微裂纹。在循环应力的作用下，微区基体中的微裂纹会进一步增殖、扩展，最终造成复合材料发生灾难性破坏。因此，改善陶瓷基复合材料微区基体的性能成为非常关键问题。

SiC纳米线被认为一种在纳米尺度非常有效的增强材料，其拉伸强度和弹性模量分别可达到53.4GPa和660GPa，远大于SiC纤维和SiC晶须的拉伸强度和弹性模量。且Yang等已经成功利用化学气相沉积法在纤维表面生长SiC纳米线，并制备出复合材料，可有效增加裂纹扩展距离，改善微区基体的脆性(Yang,W.,et al.Advanced Materials17(12):1519-1523.(2005))。并且，目前已经有关于SiC纳米线在复合材料中制备的专利，如中国专利(公开号：CN102951919)，该方法将碳纤维编织体真空浸渍、高温裂解得到生长SiC纳米线的陶瓷基复合材料。然而对于以上方法，都是在同一纳米尺度下制备SiC纳米线。通常，微区基体中随机产生的微裂纹其尺寸(纳米尺度到微米尺度)是难以控制的，对于以上方法制备的SiC纳米线不能够对不同尺度下的微裂纹进行枝化。因此，依旧存在造成材料灾难性破坏的可能性。

由此得知，一级SiC纳米线对于改善陶瓷微区的脆性不够完全，有必要开发一种多级SiC纳米线结构来改善陶瓷基复合材料微区。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种纤维原位生长多级SiC纳米线的增强体，是通过在纤维编织体表面原位生长多级SiC纳米线而形成的所述增强体，所述多级SiC纳米线包括亚微米尺度和纳米尺度，其中亚微米尺度为0.1μm～1μm，纳米线尺度为5nm～100nm。

本发明提供的纤维原位生长多级SiC纳米线的增强体，纳米尺度SiC纳米线通过纳米线的脱粘、桥连、拔出对纳米尺度的微裂纹进行消耗，纳米尺度和亚微米尺度SiC纳米线协同作用对微米、亚微米尺度裂纹消耗，利用不同尺度下SiC纳米线(纳米尺度和亚微米尺度相配合)对裂纹的枝化作用，实现微区基体强韧化。因此，构建亚微米尺度和纳米尺度复合的多级SiC纳米线结构具有重要的意义。

较佳地，所述纤维编织体为碳纤维或碳化硅纤维。

本发明还提供了一种纤维原位生长多级SiC纳米线增强体的制备方法，包括：

(1)将纤维编织体浸泡在催化剂前驱体溶液中，干燥后得负载催化剂颗粒的纤维编织体；

(2)将负载催化剂颗粒的纤维编织体置于还原气氛中还原，使负载的催化剂颗粒转化为金属颗粒；

(3)采用化学气相沉积工艺在温度800～1200℃、1KPa～10KPa压力下沉积使负载金属颗粒的纤维编织体表面原位生长亚微米尺度SiC纳米线；

(4)将生长有亚微米尺度SiC纳米线的纤维编织体冷却至室温再重复上述步骤(1)、(2)、和(3)得到包括亚微米尺度和纳米尺度的多级SiC纳米线。