一种具有二维纳米界面涂层的SiC/SiC微型复合材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种SiC/SiC微型复合材料二维纳米界面涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)配制二维材料悬浮液；(2)电泳沉积法制备SiC纤维涂层；(3)SiC纤维束烘干；(4)先驱体浸渍；(5)先驱体裂解；(6)重复步骤(4)～(5)，得到具有二维纳米界面涂层的SiC/SiC微型复合材料，该方法具有流程简易、可常温制备、对SiC纤维损伤小、可提高SiC/SiC微型复合材料力学性能等优点。

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料技术领域，具体涉及一种SiC/SiC微型复合材料二维纳米界面涂层的制备方法。

背景技术

SiC/SiC复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、高断裂韧性、耐辐射等优异性能，在航空航天及原子能行业得到越来越多的关注。

界面相对SiC/SiC复合材料的力学性能起到至关重要的作用。经过几十年的发展，用于SiC/SiC复合材料界面调控的常用材料主要有裂解碳(PyC)、BN、SiC等单一界面相，以及单一界面相组成的(PyC-SiC)n、(BN-SiC)n等多层结构界面相。上述界面相体系已经得到充分的研究与论证，因此急需开发新的SiC/SiC复合材料界面相种类或形式。

近年来，二维纳米层状材料因特有的二维层状晶体结构，在陶瓷基复合材料研究中逐渐受到重视，其作为界面相有可能改善陶瓷基复合材料纤维和基体的界面结合强度及断裂模式，从而调控陶瓷基复合材料的总体力学性能。在常用二维纳米层状界面涂层制备方法中，浸涂法简单易行，但工艺随机性大，可控性极差；化学接枝法通过化学基团连接的方式将纳米材料嫁接至增强纤维表面，工艺流程较复杂。

因此，需要寻求一种制备流程简易，且能改善SiC/SiC复合材料力学性能的二维纳米界面相的制备方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种SiC/SiC微型复合材料二维纳米界面涂层的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种SiC/SiC微型复合材料二维纳米界面涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)二维材料悬浮液配制：以超声分散法制备二维纳米材料悬浮液，超声处理时间为12h～48h。

(2)电泳沉积法制备界面涂层：对SiC纤维束进行电泳沉积处理，得到带有二维纳米界面涂层的SiC纤维束。

(3)烘干：对带有二维纳米界面涂层的SiC纤维束进行干燥处理，得到干燥的SiC纤维束。

(4)先驱体浸渍：用先驱体对带有二维纳米界面涂层的SiC纤维束进行真空浸渍，得到先驱体浸渍的纤维束；具体是以聚碳硅烷与二甲苯的质量比为1∶1配制先驱体溶液，采用真空方式浸渍12h，得到先驱体浸渍后的SiC纤维束。

(5)先驱体裂解：将步骤(4)所得的SiC纤维束在惰性气氛保护下进行常规烧结，使先驱体裂解；具体是以高纯氩气为保护气氛，裂解温度为1100℃，裂解时间为1.0h。

(6)重复步骤(4)～(5)，得到具有二维纳米界面涂层的SiC/SiC微型复合材料；具体是重复步骤(4)～(5)步骤10次。

上述的制备方法中，优选的，所述步骤(1)中，所述的二维材料悬浮液的悬浮物为石墨烯、氧化石墨烯。

上述的制备方法中，优选的，所述步骤(1)中，所述的二维材料悬浮液浓度为0.005wt.％～0.15wt.％。

上述的制备方法中，优选的，所述步骤(1)中，所述二维材料悬浮液的溶剂包括去离子水、异丙醇、甲基吡咯烷酮、聚乙烯吡咯烷酮。

上述的制备方法中，优选的，所述步骤(1)中，所述二维材料悬浮液的分散剂包括十二烷基苯磺酸钠、二甲基甲酰胺、聚醚酰亚胺。

上述的制备方法中，优选的，所述步骤(1)中，所述二维材料悬浮液的pH调节剂包括氢氧化钠、盐酸、正丁胺、四甲基氢氧化铵。

上述的制备方法中，优选的，所述步骤(2)中，所述电泳沉积所用的电场强度为0.25～350V/cm，所述电泳沉积的时间为0.1h～6h。

上述的制备方法中，优选的，所述步骤(3)中，所述预制件干燥方式为真空干燥、氮气气氛干燥或氩气气氛干燥，处理温度为40～200℃，时间0.5h～12h。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明采用电泳沉积法将二维纳米石墨烯或氧化石墨烯沉到SiC纤维表面，制备SiC/SiC复合材料界面涂层，实现了界面涂层的常温制备，减少了对增强纤维的热损伤；同时所用设备较简单，简化了制备流程。

2、本发明以二维纳米界面相调控复合材料界面结合，可以为裂纹扩展提供更多的路径，防止纤维过早断裂，因而本发明制备的SiC/SiC微型复合材料的拉伸强度和断裂功更高。

附图说明

图1为本发明制备方法的工艺流程图。

图2为本发明实施例1制备的SiC/SiC微型复合材料的形貌图；其中，(a)图为宏观形貌图，(b)图为微观形貌图。

图3为对比例1制备的SiC/SiC微型复合材料的微观形貌图；

图4为本发明实施例2制备的SiC/SiC微型复合材料的微观形貌图；

图5为本发明实施例3制备的SiC/SiC微型复合材料的微观形貌图；

图6为本发明实施例4制备的SiC/SiC微型复合材料的微观形貌图；

图7为本发明实施例5制备的SiC/SiC微型复合材料的微观形貌图；

图8为本发明实施例6制备的SiC/SiC微型复合材料的微观形貌图；

图9为本发明实施例7制备的SiC/SiC微型复合材料的微观形貌图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

一种本发明的SiC/SiC微型复合材料二维纳米界面涂层的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)二维材料悬浮液配制：悬浮物为氧化石墨烯，其浓度为0.01wt.％；以去离子水为溶剂；以十二烷基苯磺酸钠为分散剂；以氢氧化钠溶液和盐酸为pH调节剂，将pH调节至9.0；经过超声分散12h，得到均匀的氧化石墨烯悬浮液。

(2)电泳沉积法制备界面涂层：对SiC纤维束进行电泳沉积处理，具体电场强度为2V/cm，电泳时间为6h，得到含氧化石墨界面涂层的SiC纤维束。

(3)烘干：对步骤(2)的纤维束进行真空干燥，处理温度为50℃，时间12h，得到干燥的含氧化石墨界面涂层的SiC纤维束。

(4)先驱体浸渍：以聚碳硅烷与二甲苯的质量比为1∶1配制先驱体溶液，采用真空方式浸渍12h，得到先驱体浸渍后的SiC纤维束。

(5)先驱体裂解：将步骤(4)所得的SiC纤维束以常规裂解方式，以高纯氩气为保护气氛，裂解温度为1100℃，裂解时间为1h。

(6)重复步骤(4)～(5)为10次，得到含氧化石墨烯界面相的SiC/SiC微型复合材料。

图2为本实施例制备的SiC/SiC微型复合材料的形貌图，(a)图为宏观形貌图，(b)图为微观形貌图，由图可以看出，其断口有明显的纤维拔出现象，说明界面涂层防止了纤维过早断裂，起到了较好的界面调控作用。经测试，SiC/SiC微型复合材料的拉伸强度和断裂功分别为235.4MPa和7.3kJ/m

对比例1：

本对比例与实施例1相比，省略了步骤(1)～(3)，仅使用步骤(4)～(6)制备，得到无界面涂层处理的SiC/SiC微型复合材料，所得的SiC/SiC微型复合材料的拉伸强度和断裂功分别为172.8MPa和5.3kJ/m

由上述可见，本发明制备的氧化石墨烯界面涂层可以较好的改善SiC/SiC复合材料的力学性能，由于电泳沉积法可在常温下操作，避免了对增强纤维的热损伤，且所沉积的氧化石墨烯界面涂层，可为裂纹扩展提供更多的路径，防止纤维过早断裂，所以所制备的SiC/SiC微型复合材料比无界面涂层的相比，力学性能有较大提高。

实施例2：

一种本发明的SiC/SiC微型复合材料二维纳米界面涂层的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)二维材料悬浮液配制：悬浮物为氧化石墨烯，其浓度为0.04wt.％；以异丙醇为溶剂；以二甲基甲酰胺为分散剂；以四甲基氢氧化铵为pH调节剂，将pH调节至8.0；经过超声分散18h，得到均匀的氧化石墨烯悬浮液。

(2)电泳沉积法制备界面涂层：对SiC纤维束进行电泳沉积处理，具体电场强度为40V/cm，电泳时间为5.0h，得到含氧化石墨界面涂层的SiC纤维束。

(3)烘干：对步骤(2)的纤维束进行氮气气氛干燥，处理温度为100℃，时间3.0h，得到干燥的含氧化石墨界面涂层的SiC纤维束。

(4)先驱体浸渍：以聚碳硅烷与二甲苯的质量比为1∶1配制先驱体溶液，采用真空方式浸渍12h，得到先驱体浸渍后的纤维束。

(5)先驱体裂解：将步骤(4)所得的烘干SiC纤维束以常规裂解方式，以高纯氩气为保护气氛，裂解温度为1100℃，裂解时间为1.0h。

(6)重复步骤(4)～(5)为10次，得到含氧化石墨烯界面相的SiC/SiC微型复合材料。

图4为本实施例制备的SiC/SiC微型复合材料的微观形貌图，由图可以看出，断口有明显的纤维拔出现象，说明界面涂层防止了纤维过早断裂，起到了较好的界面调控作用。其力学性能与对比例1有较大提高，经测试，SiC/SiC微型复合材料的拉伸强度和断裂功分别为256.1MPa和6.2kJ/m

由上述可见，本发明制备的氧化石墨烯界面涂层可以较好的改善SiC/SiC复合材料的力学性能，由于电泳沉积法可在常温下操作，避免了对增强纤维的热损伤，且所沉积的氧化石墨烯界面涂层，可为裂纹扩展提供更多的路径，防止纤维过早断裂，所以所制备的SiC/SiC微型复合材料比无界面涂层的相比，力学性能有较大提高。

实施例3：

一种本发明的SiC/SiC微型复合材料二维纳米界面涂层的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)二维材料悬浮液配制：悬浮物为氧化石墨烯，其浓度为0.06wt.％；以甲基吡咯烷酮为溶剂；以二甲基甲酰胺为分散剂；以正丁胺为pH调节剂，将pH调节至10.5；经过超声分散24h，得到均匀的氧化石墨烯悬浮液。

(2)电泳沉积法制备界面涂层：对SiC纤维束进行电泳沉积处理，具体电场强度为150V/cm，电泳时间为2.0h，得到含氧化石墨界面涂层的SiC纤维束。

(3)烘干：对步骤(2)的纤维束进行氩气气氛干燥，处理温度为120℃，时间4h，得到干燥的含氧化石墨界面涂层的SiC纤维束。

(4)先驱体浸渍：以聚碳硅烷与二甲苯的质量比为1∶1配制先驱体溶液，采用真空方式浸渍12h，得到先驱体浸渍后的纤维束。

(5)先驱体裂解：将步骤(4)所得的烘干SiC纤维束以常规裂解方式，以高纯氩气为保护气氛，裂解温度为1100℃，裂解时间为1.0h。

(6)重复步骤(4)～(5)为10次，得到含氧化石墨烯界面相的SiC/SiC微型复合材料。

图5为本实施例制备的SiC/SiC微型复合材料的微观形貌图，由图可以看出，断口有明显的纤维拔出现象，说明界面涂层防止了纤维过早断裂，起到了较好的界面调控作用。其力学性能与对比例1有较大提高，经测试，SiC/SiC微型复合材料的拉伸强度和断裂功分别为274.5MPa和7.8kJ/m

由上述可见，本发明制备的氧化石墨烯界面涂层可以较好的改善SiC/SiC复合材料的力学性能，由于电泳沉积法可在常温下操作，避免了对增强纤维的热损伤，且所沉积的氧化石墨烯界面涂层，可为裂纹扩展提供更多的路径，防止纤维过早断裂，所以所制备的SiC/SiC微型复合材料比无界面涂层的相比，力学性能有较大提高。

实施例4：

一种本发明的SiC/SiC微型复合材料二维纳米界面涂层的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)二维材料悬浮液配制：悬浮物为氧化石墨烯，其浓度为0.12wt.％；以聚乙烯吡咯烷酮为溶剂；以聚醚酰亚胺为分散剂；以四甲基氢氧化铵为pH调节剂，将pH调节至8.5；经过超声分散36h，得到均匀的氧化石墨烯悬浮液。

(2)电泳沉积法制备界面涂层：对SiC纤维束进行电泳沉积处理，具体电场强度为200V/cm，电泳时间为3.0h，得到含氧化石墨界面涂层的SiC纤维束。

(3)烘干：对步骤(2)的纤维束进行真空干燥，处理温度为180℃，时间8h，得到干燥的含氧化石墨界面涂层的SiC纤维束。

(4)先驱体浸渍：以聚碳硅烷与二甲苯的质量比为1∶1配制先驱体溶液，采用真空方式浸渍12h，得到先驱体浸渍后的纤维束。

(5)先驱体裂解：将步骤(4)所得的烘干SiC纤维束以常规裂解方式，以高纯氩气为保护气氛，裂解温度为1100℃，裂解时间为1h。

(6)重复步骤(4)～(5)为10次，得到含氧化石墨烯界面相的SiC/SiC微型复合材料。

图6为本实施例制备的SiC/SiC微型复合材料的微观形貌图，由图可以看出，断口有明显的纤维拔出现象，说明界面涂层防止了纤维过早断裂，起到了较好的界面调控作用。；其力学性能与对比例1有较大提高，经测试，SiC/SiC微型复合材料的拉伸强度和断裂功分别为320.7MPa和8.8kJ/m

由上述可见，本发明制备的氧化石墨烯界面涂层可以较好的改善SiC/SiC复合材料的力学性能，由于电泳沉积法可在常温下操作，避免了对增强纤维的热损伤，且所沉积的氧化石墨烯界面涂层，可为裂纹扩展提供更多的路径，防止纤维过早断裂，所以所制备的SiC/SiC微型复合材料比无界面涂层的相比，力学性能有较大提高。

实施例5：

一种本发明的SiC/SiC微型复合材料二维纳米界面涂层的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)二维材料悬浮液配制：悬浮物为石墨烯，其浓度为0.008wt.％；以甲基吡咯烷酮为溶剂；以二甲基甲酰胺为分散剂；以正丁胺为pH调节剂，将pH调节至11.0；经过超声分散48h，得到均匀的石墨烯悬浮液。

(2)电泳沉积法制备界面涂层：对SiC纤维束进行电泳沉积处理，具体电场强度为2300V/cm，电泳时间为0.5h，得到含氧化石墨界面涂层的SiC纤维束。

(3)烘干：对步骤(2)的纤维束进行氮气气氛干燥，处理温度为150℃，时间1h，得到干燥的含石墨界面涂层的SiC纤维束。

(4)先驱体浸渍：以聚碳硅烷与二甲苯的质量比为1∶1配制先驱体溶液，采用真空方式浸渍12h，得到先驱体浸渍后的纤维束。

(5)先驱体裂解：将步骤(4)所得的烘干SiC纤维束以常规裂解方式，以高纯氩气为保护气氛，裂解温度为1100℃，裂解时间为1.0h。

(6)重复步骤(4)～(5)为10次，得到含石墨烯界面相的SiC/SiC微型复合材料。

图7为本实施例制备的SiC/SiC微型复合材料的微观形貌图，由图可以看出，断口有明显的纤维拔出现象，说明界面涂层防止了纤维过早断裂，起到了较好的界面调控作用。其力学性能与对比例1有较大提高，经测试，SiC/SiC微型复合材料的拉伸强度和断裂功分别为336.7MPa和7.5kJ/m

由上述可见，本发明制备的氧化石墨烯界面涂层可以较好的改善SiC/SiC复合材料的力学性能，由于电泳沉积法可在常温下操作，避免了对增强纤维的热损伤，且所沉积的氧化石墨烯界面涂层，可为裂纹扩展提供更多的路径，防止纤维过早断裂，所以所制备的SiC/SiC微型复合材料比无界面涂层的相比，力学性能有较大提高。

实施例6：

一种本发明的SiC/SiC微型复合材料二维纳米界面涂层的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)二维材料悬浮液配制：悬浮物为石墨烯，其浓度为0.01wt.％；以聚乙烯吡咯烷酮为溶剂；以聚醚酰亚胺为分散剂；以四甲基氢氧化铵为pH调节剂，将pH调节至9.5；经过超声分散38h，得到均匀的石墨烯悬浮液。

(2)电泳沉积法制备界面涂层：对SiC纤维束进行电泳沉积处理，具体电场强度为280V/cm，电泳时间为3h，得到含氧化石墨界面涂层的SiC纤维束。

(3)烘干：对步骤(2)的纤维束进行氩气气氛干燥，处理温度为50℃，时间10h，得到干燥的含石墨界面涂层的SiC纤维束。

(4)先驱体浸渍：以聚碳硅烷与二甲苯的质量比为1∶1配制先驱体溶液，采用真空方式浸渍12h，得到先驱体浸渍后的纤维束。

(5)先驱体裂解：将步骤(4)所得的烘干SiC纤维束以常规裂解方式，以高纯氩气为保护气氛，裂解温度为1100℃，裂解时间为1.0h。

(6)重复步骤(4)～(5)为10次，得到含石墨烯界面相的SiC/SiC微型复合材料。

图8为本实施例制备的SiC/SiC微型复合材料的微观形貌图，由图可以看出，断口有明显的纤维拔出现象，说明界面涂层防止了纤维过早断裂，起到了较好的界面调控作用。其力学性能与对比例1有较大提高，经测试，SiC/SiC微型复合材料的拉伸强度和断裂功分别为339.3MPa和8.1kJ/m

由上述可见，本发明制备的氧化石墨烯界面涂层可以较好的改善SiC/SiC复合材料的力学性能，由于电泳沉积法可在常温下操作，避免了对增强纤维的热损伤，且所沉积的氧化石墨烯界面涂层，可为裂纹扩展提供更多的路径，防止纤维过早断裂，所以所制备的SiC/SiC微型复合材料比无界面涂层的相比，力学性能有较大提高。

实施例7：

一种本发明的SiC/SiC微型复合材料二维纳米界面涂层的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)二维材料悬浮液配制：悬浮物为石墨烯，其浓度为0.05wt.％；以甲基吡咯烷酮为溶剂；以聚醚酰亚胺为分散剂；以正丁胺为pH调节剂，将pH调节至11.5；经过超声分散40h，得到均匀的石墨烯悬浮液。

(2)电泳沉积法制备界面涂层：对SiC纤维束进行电泳沉积处理，具体电场强度为300V/cm，电泳时间为0.8h，得到含氧化石墨界面涂层的SiC纤维束。

(3)烘干：对步骤(2)的纤维束进行真空干燥，处理温度为160℃，时间2h，得到干燥的含石墨界面涂层的SiC纤维束。

(4)先驱体浸渍：以聚碳硅烷与二甲苯的质量比为1∶1配制先驱体溶液，采用真空方式浸渍12h，得到先驱体浸渍后的纤维束。

(5)先驱体裂解：将步骤(4)所得的烘干SiC纤维束以常规裂解方式，以高纯氩气为保护气氛，裂解温度为1100℃，裂解时间为1.0h。

(6)重复步骤(4)～(5)为10次，得到含石墨烯界面相的SiC/SiC微型复合材料。

图9为本实施例制备的SiC/SiC微型复合材料的微观形貌图，由图可以看出，断口有明显的纤维拔出现象，说明界面涂层防止了纤维过早断裂，起到了较好的界面调控作用。其力学性能与对比例1有较大提高，经测试，SiC/SiC微型复合材料的拉伸强度和断裂功分别为318.9MPa和9.0kJ/m

由上述可见，本发明制备的氧化石墨烯界面涂层可以较好的改善SiC/SiC复合材料的力学性能，由于电泳沉积法可在常温下操作，避免了对增强纤维的热损伤，且所沉积的氧化石墨烯界面涂层，可为裂纹扩展提供更多的路径，防止纤维过早断裂，所以所制备的SiC/SiC微型复合材料比无界面涂层的相比，力学性能有较大提高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。