[发明专利]一种抗氧化多孔碳陶复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种抗氧化多孔碳陶复合材料及其制备方法。该抗氧化多孔碳陶复合材料由碳纤维隔热材料和抗氧化陶瓷相组成，制备的关键在于陶瓷相可被均匀引入碳纤维隔热材料的孔隙中，且陶瓷相与碳纤维表面有一定结合力，包覆效果优异。陶瓷相对碳纤维的均匀包覆可明显提高碳纤维隔热材料的力学强度和高温抗氧化能力。同时，复合材料可保持较低的密度。本发明对碳基隔热材料的性能提升有重要意义。

技术领域

本发明属于防隔热材料制备领域，具体涉及一种多孔抗氧化碳陶复合材料及其制备方法。

背景技术

在恶劣的气动环境下仍能具备优异的耐温性，并能够起到抗冲刷和隔热作用的材料是保障飞行器速度不断提升的关键因素之一。碳基隔热材料具备优异的耐温性和较低的密度，目前在航天热防护材料领域受到了广泛的研究。然而在有氧环境中碳基材料耐温性显著降低，限制了其在航天热防护材料领域的应用。因此，利用陶瓷相对碳纤维进行表面改性，制备抗氧化碳陶隔热材料对于提升热防护材料耐温性和防护性能均有重要意义。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服多孔纤维状碳基隔热材料高温抗氧化性不足的问题，利用水与正硅酸甲酯或正硅酸乙酯的反应，在碳纤维表面形成凝胶，高温裂解后在碳纤维表面生成抗氧化陶瓷相。由于水与正硅酸甲酯或正硅酸乙酯的溶解性较差，但与碳纤维表面浸润性较好，反应过程中首先在碳纤维表面形成凝胶，随后向孔隙中生长。因此，生成的陶瓷相能够对碳纤维进行较好的包覆，制备的碳陶复合材料兼具低密度和抗氧化的特性。

本发明的技术方案为：

第一方面，本发明提供一种低密度抗氧化多孔碳陶复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将多孔碳纤维隔热材料在陶瓷前驱体中进行真空浸渍；

(2)将浸渍陶瓷前驱体后的碳纤维隔热材料浸入去离子水中，并加入催化剂，静置一定时间；

(3)将步骤(2)处理后的碳纤维隔热材料取出，并进行干燥处理；

(4)将步骤(3)干燥后的碳纤维隔热材料于高纯氮气中升温进行高温裂解，裂解完毕后在惰性气氛中降至室温；

(5)重复步骤(1)-(4)，得到多孔抗氧化陶瓷基复合材料。

进一步地，步骤(1)中陶瓷前驱体为正硅酸甲酯或正硅酸乙酯。

进一步地，步骤(1)所述真空浸渍的时间为20-40min。

进一步地，步骤(2)中使用1M盐酸或1M氨水作为催化剂，配制成水溶液，催化剂为水质量的2-6％。将浸渍了陶瓷前驱体的碳纤维隔热材料从前驱体液体中取出后，即可浸入水溶液中，例如可以将模具中的陶瓷前驱体倒出，倒入去离子水，加入催化剂，需静置24-48小时。

进一步地，步骤(2)利用水与碳纤维表面的浸润性及水与正硅酸甲酯或正硅酸乙酯较差的相溶性，首先在碳纤维表面形成溶胶凝胶，随后向孔隙中继续生长。

进一步地，步骤(3)中，将(2)中的碳纤维隔热材料从溶液中取出，在鼓风干燥箱中干燥24-48小时。

进一步地，步骤(4)中，将步骤(3)干燥后的碳纤维隔热材料于高纯氮气中以3-6℃/min 的升温速率升温至1000-1200℃，高温裂解60-120min，即需在1000-1200℃惰性气氛中进行高温裂解，在碳纤维表面形成陶瓷相。

进一步地，步骤(5)中，为得到轻质抗氧化碳陶复合材料，前驱体浸渍-裂解过程需重复2-4次。

进一步地，步骤(5)形成的抗氧化多孔碳陶复合材料的密度为0.35-0.55g/cm³。

第二方面，本发明提供一种采用上述方法制备的低密度抗氧化多孔碳陶复合材料。