[发明专利]一种单向叠层结构碳纤维增强碳化硅/铝基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种单向叠层结构碳纤维增强碳化硅/铝基复合材料及其制备方法，该复合材料由单向碳纤维布、热解碳界面层、碳化硅和铝合金基体组成，密度为1.8～2.5g/cm³，抗拉强度为300～450MPa；碳化硅基体可以提高该复合材料的耐受温度，同时可以减少碳纤维和铝合金基体之间由于热膨胀系数差异引起的残余热应力；磁控溅射制备铝合金基体可以改善铝合金和碳化硅之间的润湿性，有效改善二者界面结合强度；扩散粘结可以使铝合金基体更好的填充到孔隙中去，使复合材料致密度提高，从而提高其抗拉强度。

技术领域

本发明涉及一种单向叠层结构碳纤维增强碳化硅/铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

纤维增强陶瓷基复合材料密度低、比强度高、耐腐蚀、耐高温，被广泛应用于航空航天、卫星等领域。然而因为其制备工艺的限制，其中存在的孔隙、微裂纹等缺陷使得其性能不稳定，而且陶瓷基复合材料的断裂韧性仍需进一步提高。

纤维增强铝基复合材料比强度高、比刚度高、耐冲击性能好，已被广泛应用于航空航天、卫星等领域。但是由于服役环境通常较为苛刻，且铝合金基体在高温下(300℃)就会面临软化的问题，刚度严重下降，因此无法满足各个方面的要求。

铝合金熔融温度低且熔融状态下粘度较低，可以有效的填充到纤维增强陶瓷基复合材料的孔隙和缺陷中，进而提高传递载荷的能力，有效地降低裂纹源以减少应力集中的发生。铝合金具有比强度高、比模量高、耐冲击性好、塑性好的优点，而且铝合金在熔融状态下的粘度较低、熔融温度也较低(小于800℃)，可以有效填充到纤维增强陶瓷基复合材料的孔隙和裂纹中，从而降低裂纹产生源及提高载荷传递能力。

以碳纤维预制体为骨架，碳化硅和铝合金作为基体，制备出纤维增强双基体复合材料，不仅可以弥补纤维增强铝基复合材料高温性能的不足，也能改善纤维增强陶瓷基复合材料断裂韧性和塑性不足的缺陷。此外，铝合金和碳纤维的热膨胀系数差别较大，润湿性较差，这也会影响到其性能。

申请公布号为CN106478125A的中国发明专利公开了一种B₄C改性C/C-SiC刹车材料的制备方法，采用真空压力浸渍法将B₄C粉料引入到密度为0.4～0.6g/cm³三维针刺碳毡中，后用化学气相渗透及反应熔体渗透制备了C/C-SiC刹车材料。

申请公布号为CN105818476A的中国发明专利公开了一种表面改性三维网络碳纤维增强复合材料及制备方法，将三维碳纤维骨架表面预处理后现后通过化学气相沉积金刚石、碳纳米管、石墨烯，然后金属或聚合物，获得带有三维网状骨架结构的碳纤维增强金属基或聚合物基复合材料。

上述合金改性陶瓷基复合材料或者陶瓷改性金属材料虽然可以提高被改性材料的性能，但是都没有改善陶瓷和金属两异种材料的界面相容性，同时也没有有效降低陶瓷基复合材料中的孔隙率及减小缺陷，从而无法真正发挥陶瓷基复合材料和合金材料的性能，也无法发挥合金对陶瓷基复合材料的增韧补强的作用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种单向叠层结构碳纤维增强碳化硅/铝基复合材料及其制备方法，有效的改善了陶瓷基复合材料和铝合金的界面相容性，提高了铝合金和陶瓷基复合材料的结合强度和结合稳定性。

一种单向叠层结构碳纤维增强碳化硅/铝基复合材料及其制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：

(1)将单向碳纤维布用无水乙醇超声清洗并烘干；

(2)采用化学气相渗透法在烘干的纤维布中制备一层热解碳界面层，丙烯和氩气的流量之比为60∶150，沉积温度为800～1000℃；后用化学气相渗透法在制备好热解碳界面层的单向碳纤维布中1100～1200℃下原位填充碳化硅基体，三氯甲基硅烷、氢气和氩气的流量之比为20∶200∶200，得到纤维/碳化硅基体预成型体；