[发明专利]制备SiC纳米线增强反应烧结碳化硅陶瓷基复合材料的方法

说明书

本发明公开了一种制备SiC纳米线增强反应烧结碳化硅陶瓷基复合材料的方法。该方法以酚醛树脂为反应体系的单一碳源，同时采用酚醛树脂为包覆碳源，对SiC纳米线进行表面改性，形成碳包覆SiC纳米线，它均匀分散在SiC陶瓷预制体之中，然后通过反应烧结制备成碳化硅纳米纤维增强SiC陶瓷基复合材料。本发明采用SiC纳米线作为增强体通过反应烧结原理制备陶瓷基复合材料，有效的改善了纳米纤维与基体的结合界面，实现有效增加增韧；避免了已报道反应烧结导致碳化硅晶须/纳米线参与反应或长大问题；避免了原位生长纳米线的生长不均匀和与基体界面结合效果不好，不致密问题。

技术领域

本发明涉及一种陶瓷基复合材料的制备方法，具体涉及一种制备SiC纳米线增强反应烧结碳化硅陶瓷基复合材料的方法。

背景技术

碳化硅（SiC）陶瓷材料是以碳化硅为主要成分的陶瓷材料，作为一种结构材料，因其具有抗氧化、低密度、耐高温、高硬度、耐腐蚀等优良特性，广泛应用于现代国防、航空航天、汽车行业以及机械工业等各个领域。SiC陶瓷材料的主要制备方法包括常规烧结、热压烧结、气氛压力烧结、热等静压烧结和反应烧结等。其中，反应烧结工艺（RBSC）由于具有设备简单、成本低、残余孔隙率低、能实现近净成型制备复杂形状的的制品，是现在应用较为广泛的一种制备工艺。然而，RBSC中原始碳化硅（SiC）粒子尺寸增大，游离硅数量增加，游离碳数量减少，虽然密度和气孔率没有变化，但断裂强度降低，对力学性能产生一定的影响，限制了陶瓷材料更为广泛的应用。为了提高陶瓷基复合材料的力学性能，一般可以引入粒子、晶须、纤维等作为第二相进行补强增韧，通过在基体中引入纤维增强体，提高反应烧结碳化硅的力学性能。近年来，通过引入高强纤维作为增强体可以明显提高陶瓷基复合材料的性能，已经引起了科研工作者们的广泛关注。SiC晶须为一种具有高熔点、高比强、低膨胀系数和化学稳定性等优良特性的材料，已经被广泛地应用于先进陶瓷复合材料的制备。如中国专利申请CN 102161594A（公开号）公开了“一种SiC晶须强化的SiC陶瓷基复合材料及其制备方法”，这种SiC陶瓷基复合材料由预制件通过Si或Si合金熔渗反应制备得到，所述的预制件由包括稻壳SiC晶须化产物的原料模压成型制得。该复合材料方法制备工艺简单，熔融反应温度低，无需外加压力，预制件可制成复杂形状，可用于复杂形状的构件。又如中国专利申请CN 103951454 A（公开号）公开了“一种SiC晶须增强的陶瓷基复合材料”，该方法是利用物理方法使纤维束或丝间附着细小的SiC晶须，通过化学气相渗透法（CVI）在附有SiC晶须的纤维间生成陶瓷基体，不破坏晶须形貌和力学性能，使复合材料的断裂韧性得到很大提高，并且材料的断裂韧性和抗弯强度随着材料的相对密度而增加。与SiC晶须相比，SiC纳米线具有高长径比和更高的力学性能。目前，报道出来的SiC纳米线以热力学稳定的单晶高纯β-SiC为主。Yang等采用CVD的方法在SiC预编体中原位生成表面碳包覆的SiC纳米线，制备得到SiC纳米线增强SiC陶瓷基复合材料的抗弯强度达到750±103 MPa，断裂韧性达到20.3±2 MPa·m^1/2（Yang W, Araki H, Tang C, et al. Single-crystal SiCnanowires with a thin carbon coating for stronger and tougher ceramiccomposites[J]. Advanced Materials, 2005, 17(12):1519-1523.）；Yoon等调整PCS的含量为20 %，在高度有序的多孔SiC陶瓷基体材料中生长出非定向的SiC纳米线，制备出的多孔SiC陶瓷基复合材料具有很好的热稳定性能和较高的力学性能（Yoon B H, Park C S,Kim H E, et al. In Situ synthesis of porous silicon carbide (SiC) ceramicsdecorated with SiC Nanowires[J]. Journal of the American Ceramic Society,2010, 90(12):3759-3766.）上述文献都采用了原位生长SiC纳米线增强SiC陶瓷基复合材料。但是SiC纳米线都是在原位生长出来的，且碳包覆工艺较为复杂，根据以上研究，本发明以酚醛树脂为反应体系的单一碳源，对SiC纳米线进行表面改性，形成碳包覆SiC纳米线，均匀分散在 SiC陶瓷预制体之中，然后通过反应烧结制备成碳化硅纳米纤维增强SiC陶瓷基复合材料。该发明的有益之处在于有效的改善了纳米纤维与基体的结合界面，实现有效增加增韧；避免了已报道反应烧结导致碳化硅晶须/纳米线参与反应或长大问题；避免了原位生长纳米线的生长不均匀和与基体界面结合效果不好，不致密问题。