一種耐高溫抗氧化導熱碳纖維/碳化硅復合材料的制備方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種耐高溫抗氧化導熱碳纖維/碳化硅復合材料的制備方法，具體地說是一種碳纖維和碳化硅復合材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術的快速發展，高效的導熱和散熱成為熱管理領域的關鍵問題。例如隨著電器裝置電子元件集成度的不斷提高，其單位面積電子器件不斷提高的發熱量使系統產生的熱量驟增。如果沒有充分的熱管理保障，極易導致相關器件提前老化或是損壞。傳統的金屬導熱材料(如鋁、銅等)由于存在密度較大、比熱導率(熱導系數與材料體積密度之比)較低、熱膨脹系數較高、易氧化等局限性，已很難滿足目前日益增長的散熱需求。碳材料具有較高的導熱系數、較低的密度以及較好的耐化學腐蝕性，是近年來最具發展前景的一類導熱材料。但是導熱碳材料在高溫下極易氧化。因此嚴重限制了導熱碳材料在高溫有氧環境下的應用。碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料(C/SiC)是一種應現代航天航空科技發展而涌現出來的新型復合材料，具有耐高溫、低密度、高比強、抗氧化、抗燒蝕和高熱輻射率等一系列優異性能，同時具有碳碳復合材料(C/C)所不具有的抗氧化性，因而在航空航天、能源、通訊、電子等領域具有廣闊的應用前景。但是碳纖維表面光滑且呈化學惰性，與碳化硅基體界面結合能力弱。界面結合能力弱使得應力不能有效地從基體傳遞到碳纖維上，碳纖維起不到力學增強的作用。此外，碳纖維和碳化硅基體界面容易產生間隙，阻礙聲子的傳播，影響復合材料的導熱性能。因此目前的碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料需要提高碳纖維與碳化硅基體間的界面相互作用，以獲得更優異的性能。在碳纖維上生長碳納米管可以提高碳纖維表面粗糙度，并且碳納米管可以產生毛細管現象，使先驅體溶液在碳纖維上的浸潤性得到提升，減少界面間隙。此外碳納米管還可以起到機械嚙合作用，增強碳纖維與碳化娃基體的界面結合能力。
[0003]本發明通過在碳纖維上生長碳納米管以增強碳纖維與碳化硅的界面相互作用，從而使碳纖維與碳化硅基體結合更緊密，制備出一種耐高溫抗氧化導熱碳纖維/碳化硅復合材料。從而為制備耐高溫抗氧化導熱碳纖維/碳化硅復合材料提供新的思路。
【發明內容】
[0004]本發明針對現有碳纖維/碳化硅復合材料界面相互作用弱及導熱率低的缺陷，提供一種提高碳纖維/碳化硅復合材料界面相互作用及導熱率的方法。在碳纖維上生長碳納米管可以提高碳纖維表面粗糙度。并且生長在碳纖維上的碳納米管可以產生毛細管現象，使先驅體溶液在碳纖維浸上的潤性得到提升，減少界面間隙，有利于增強復合材料的導熱性能。此外碳納米管還可以起到機械嚙合作用，增強碳纖維與碳化硅基體的界面結合能力。相比碳纖維三維編織體，二維的碳纖維織布疊層有利于碳納米管的生長以及先驅體溶液的浸潤，還具有更高的抗壓強度。
[0005]本發明的制備方法具體步驟如圖1所示:
[0006]—種制備耐高溫抗氧化導熱碳纖維/碳化硅復合材料的制備方法;步驟如下:
[0007]I)將碳纖維織布浸泡在Fe(N03)3溶液中，浸泡0.5_2h后取出烘干；
[0008]2)將負載催化劑的碳纖維織布置于管式爐中；通入流量為200-400sCCm的Ar，升溫至400-500°C;減小Ar流量至100-200sccm同時通入流量為200-300sccm的H2;10-30min后增大Ar流量至350-400sccm，減小H2流量為20-50sccm;升溫至750-850°C ;通入碳源，注射速度為20ml/h，生長時間為10-60min;生長結束后關閉H2減小Ar流量至200-300sccm;降溫后取出碳纖維織布；
[0009]3)將4-8層碳纖維織布疊加在一起浸泡在0.1-0.3g/ml的聚碳硅烷(PCS)的二甲苯溶液中；在負壓狀態浸泡0.5-2h后將碳纖維織布疊層取出，烘干后形成塊體；
[0010]4)將塊體置于馬弗爐中，在200°C下氧化l_2h;
[0011]5)將塊體放入管式爐中，通入流量為500-800sccm的Ar，以5-15°C/min的速率升溫至1200°C，恒溫10-60min后降溫；
[0012]6)反復進行步驟3)、4)和5)，循環6-10次后獲得耐高溫抗氧化導熱碳纖維/碳化硅復合材料。
[0013]碳纖維織布浸泡在Fe(N03)3溶液前，將碳纖維織布清洗烘干后置于管式爐中，在Ar氣氛下以5-15°C/min的速率升溫至700-800°C，恒溫0.5-2h以去除碳纖維織物出廠時表面涂覆的聚合物涂層。
[0014]優選Fe (NO3) 3 濃度為 0.05-0.3mol/L 的溶液。
[0015]優選Ar氣升溫速率為5-15°C/min。
[0016]優選碳源為乙醇、二甲苯混合溶液，乙醇:二甲苯體積比為= 1:1。
[0017]具體說明如下:
[0018]1.除膠:將碳纖維織布清洗烘干后置于管式爐中，在Ar氣氛下以5-15°C/min的速率升溫至700-800°C，恒溫0.5-2h以去除碳纖維織物出廠時表面涂覆的聚合物涂層。除膠后碳纖維織布如圖2所示；
[0019]2.負載催化劑:將除膠的碳纖維織布浸泡在濃度為0.05-0.3mol/L的Fe(N03)3溶液中；浸泡0.5-2h后取出烘干；
[0020]3.生長碳納米管(CNT):將負載催化劑的碳纖維織布置于管式爐中；通入Ar(流量為200-400sccm)，以5-15°C/min的速率升溫至400-500°C。減小Ar流量至 100-200sccm同時通入H2(流量為200-300sccm); 10-30min后增大Ar流量至350-400sccm，減小H2流量為20-50sccm；以5-15°C/min的速率升溫至750-850°C ;通入碳源(乙醇:二甲苯=1:1)，注射速度為20ml/h，生長時間為10-60min;生長結束后關閉H2減小Ar流量至200-300sccm;降溫后取出樣品。生長有碳納米管的碳纖維織布如圖3所示。在碳纖維上生長碳納米管可以提高碳纖維表面粗糙度并可產生毛細管現象，使先驅體溶液在碳纖維浸上的潤性得到提升，減少界面間隙，有利于增強復合材料的導熱性能;此外碳納米管還可以起到機械嚙合作用，增強碳纖維與碳化硅基體的界面結合能力；
[0021]4.浸漬聚碳硅烷(PCS):將碳纖維織布裁剪成規定尺寸。將4-8層碳纖維織布疊加在一起浸泡在0.1-0.3g/ml的PCS 二甲苯溶液中；在負壓狀態浸泡0.5_2h后將碳纖維織布疊層取出，烘干后形成塊體;相比碳纖維三維編織體，二維的碳纖維織布疊層有利于碳納米管的生長以及先驅體溶液的浸潤，還具有更高的抗壓強度；
[0022]5.PCS氧化交聯:將塊體置于馬弗爐中，在200°C下氧化l_2h，以提高碳化硅產率以及穩定樣品形貌；
[0023]6.?03熱解:將樣品放入管式爐中，通入六4流量為500-8008(^111)，以5-15°(:/1^11的速率升溫至1200°C，恒溫10-60min后降溫；
[0024]7.為使樣品致密，需反復進行步驟4、5、6。經過6-10次循環后獲得碳纖維/碳化硅復合材料。碳纖維/碳化硅復合材料的截面結構如圖4所示。
[0025]通過在碳纖維上生長碳納米管以增強碳纖維與碳化硅的界面相互作用，從而使碳纖維與碳化硅基體結合更緊密，制備出一種耐高溫抗氧化導熱碳纖維/碳化硅復合材料。這種碳纖維/碳化硅復合材料具有良好的力學性能，彎曲強度可達115MPa以上，抗壓強度可達450MPa以上。這種碳纖維/碳化硅復合材料具有良好的抗氧化性能，能在空氣中耐受長時間的高溫(800-1200°C)燒蝕。碳纖維/碳化硅復合材料的導熱率能達到10W/(m.K)以上。本發明方法簡單、低成本、能耗低，不需要高溫熱壓，對設備要求低，所制備的碳纖維/碳化硅復合材料具有優異的耐高溫、抗氧化、高熱導率等性能。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明的碳纖維/碳化硅復合材料的制備方法流程圖；
[0027]圖2為碳纖維織布的掃描電鏡圖片；
[0028]圖3為生長有碳納米管的碳纖維織布的掃描電鏡圖片；
[0029]圖4為碳纖維/碳化硅復合材料的截