[发明专利]炭材料3D增韧碳化硅复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及无机材料领域，公开了一种炭材料3D增韧碳化硅复合材料及其制备方法和应用，该炭材料3D增韧碳化硅复合材料，包含微米尺寸的炭材料0.01~10wt%、纳米尺寸的炭材料0.01~10wt%和碳化硅80~99 wt%；通过将微米尺寸的炭材料和纳米尺寸的炭材料介入碳化硅中构成微米‑纳米尺寸的炭材料3D增韧结构制得。与现有技术相比，本发明只需要使用很少量的炭材料既可以使得碳化硅的增韧效果得到明显改善，炭材料与碳化硅界面结合性好，形成的碳化硅复合材料性能稳定，由其制成的碳化硅复合陶瓷弯曲强度高。

技术领域

本发明涉及无机材料领域，特别涉及一种炭材料3D增韧碳化硅复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

碳化硅陶瓷具有高温强度大、抗氧化性强、耐磨性好、热稳定性佳、热膨胀率低、热导率大和耐化学腐蚀性强等优良特性，尤其是其在1400℃时，强度仍基本保持不变的特性，使得其在汽车、机械化工、环境保护、空间技术等领域有着广泛的应用，已成为一种在诸多领域有着不可替代作用的结构类材料。

但碳化硅存在脆性开裂问题，影响其进一步的应用，故碳化硅“增韧”成为其利用过程中亟待解决的难题。学者提出多种方案，旨在增加碳化硅的弯曲强度。如郑浦在《反应烧结制备超细晶粒碳化硅陶瓷的方法》（CN 105948754 A）中通过改变制备方式和粒径增加《碳化硅晶须增强陶瓷复合材料及其制造方法》其弯曲强度，虽取得一定效果，但归根到底，制备的仍为碳化硅，材料本质特性决定其脆性特征，无法根本解决。利用形成中间相或其他弯曲强度大的物质介入碳化硅，将是一个较好的增韧碳化硅的创意。如李榕生《一种嵌有增韧物质的碳化硅陶瓷》（CN 101164973 A），讲述了将片状氧化铝嵌入颗粒的增韧碳化硅陶瓷，造价低，且可以形成品质均匀的复合陶瓷，此类增韧剂还包含氧化锆、硼系物质、氧化钇、碳化硼等。但此类材料存在热膨胀失配、密度大等不足。

炭材料因其自身特点，具有显著的纳米特性，被广泛地应用在航空航天、高精武器、化工机械、体育器材、能源、汽车、纺织和医学等领域。如炭纤维是化学组成当中含碳元素的质量分数高于90%的特种纤维，具有炭材料的固有特性是一种力学性能优异的材料，因其具有耐疲劳、耐高温、高模、高强、导电、导热等特性，密度不到钢的1/4，抗拉强度却为钢的7-9倍，拉伸强度达2.8 GPa。而碳纳米管，弯曲强度为14.2 GPa。故将炭材料作为增韧剂，可以极大地提高碳化硅材料的弯曲强度。耿浩然申请的《一种制备炭纤维增强碳化硅复合材料的装置及工艺》（CN 03138926.0）和《一种嵌入物包括炭纤维的多成份碳化硅陶瓷》、张云龙博士论文《短碳纤维增韧碳化硅基复合材料的制备及其断裂机理研究》、乔冠军的《一种高强高密各向同性炭滑板的制备方法》（CN 101747039 A）、肖鹏《碳纤维增强炭-碳化硅双基体摩擦材料的制备方法》（CN 101486588 B）等均采用炭材料尤其为炭纤维增韧碳化硅，但此类方法存在炭材料用量大、制备工艺繁琐、界面结合性差等问题，存在一定的缺陷。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种炭材料3D增韧碳化硅复合材料及其制备方法和应用，只需要使用很少量的炭材料既可以使得碳化硅的增韧效果得到明显改善，炭材料与碳化硅界面结合性好，形成的碳化硅复合材料性能稳定，由其制成的碳化硅复合陶瓷弯曲强度高。

技术方案：本发明提供了一种炭材料3D增韧碳化硅复合材料，包含微米尺寸的炭材料0.01~10wt%、纳米尺寸的炭材料0.01~10wt%和碳化硅80~99 wt%。

优选地，所述微米尺寸的炭材料至少其一维尺寸在微米或亚微米级别。

优选地，所述微米尺寸的炭材料为以下任意一种或其组合：炭纤维、碳纳米管、石墨烯、炭微球、炭泡沫。

优选地，所述纳米尺寸的炭材料至少其最大尺寸在微米级别。

优选地，所述纳米尺寸的炭材料为以下任意一种或其组合：碳纳米管、石墨烯、炭微球、炭泡沫、多孔炭。