專利名稱：一種碳化硼/碳纖維復(fù)合陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于碳化硼復(fù)合陶瓷的領(lǐng)域，尤其涉及一種碳化硼/碳纖維復(fù)合陶瓷及其制備方法。
背景技術(shù)：
碳化硼具有一系列優(yōu)良的性能，如密度低，理論密度僅為2.52g/cm3,硬度高，莫氏硬度為9.3，顯微硬度為55飛7 GPa,是僅次于金剛石和立方BN的最硬材料，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，碳化硼在常溫下不與酸、堿和大多數(shù)無機(jī)化合物反應(yīng)，僅在氫氟酸-硫酸、氫氟酸-硝酸混合物中有緩慢的腐蝕，是化學(xué)性質(zhì)最穩(wěn)定的化合物之一。同時(shí)碳化硼還有很強(qiáng)的吸收中子的能力。基于這些優(yōu)良的特性，碳化硼在耐磨、耐腐蝕器件、防彈裝甲、核能等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但碳化硼脆性大，常常以脆性斷裂為主，這大大限制了碳化硼陶瓷的應(yīng)用。目前提高陶瓷韌性的辦法有多種，可以采用顆粒增強(qiáng)、或具有特定晶粒取向結(jié)構(gòu)的排布、或采用晶須、納米管以及纖維增韌的方式。專利申請?zhí)枮?00910180582.5的中國專利報(bào)道了一種碳纖維/碳化硼復(fù)合陶瓷及其制備方法，其中碳化硼的質(zhì)量占45-60%，碳纖維占40-55%，該發(fā)明利用碳纖維的增韌性能，在單一碳化硼材料的基礎(chǔ)上提高了硬度和斷裂韌性10-50%。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種新型碳化硼/碳纖維復(fù)合陶瓷，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種碳化硼/碳纖維復(fù)合陶瓷，其特征在于其具備層狀結(jié)構(gòu)，碳化硼和碳纖維交替分布，每層碳化硼的厚度在l -300mm,且厚度可調(diào)；
所述碳纖維是經(jīng)浸潰處理的短切碳纖維、連續(xù)纖維編織體或者由短切碳纖維組成的石墨租；
所述碳纖維浸潰處理所用的試劑為有機(jī)碳前驅(qū)體；
所述有機(jī)碳前驅(qū)體為浙青、煤焦油、酚醛樹脂、糠醛樹脂。本發(fā)明還提供了一種碳化硼/碳纖維復(fù)合陶瓷的制備方法，所采用的技術(shù)方案是:
步驟一:制備碳化硼粉末或?qū)⑻蓟鸱勰╊A(yù)先成型；
步驟二:碳纖維預(yù)先浸潰成型；
步驟三:將碳化硼粉末或碳化硼預(yù)成型體與浸潰過后的碳纖維疊層組合，碳化硼粉末與浸潰過后的碳纖維在常壓或熱壓下成型，碳化硼預(yù)成型體與浸潰過后的碳纖維燒結(jié)或熱壓成型；
所述步驟二中碳纖維包括短切碳纖維、連續(xù)纖維編織體或由短切碳纖維組成的石墨
租;
所述有機(jī)碳前驅(qū)體為浙青、煤焦油、酚醛樹脂、糠醛樹脂；所述有機(jī)前驅(qū)體中加入碳化硼微粉或硼粉。本發(fā)明所解決的基礎(chǔ)技術(shù)問題的能夠克服單一碳化硼材料的韌性不好的缺點(diǎn)，更進(jìn)一步地提出了一種新結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，本發(fā)明取得的有益效果是:具備層狀結(jié)構(gòu)的碳化硼/碳纖維復(fù)合材料，碳化硼和碳纖維交替分布，這一結(jié)構(gòu)提高了碳化硼復(fù)合材料的密度，同時(shí)也提高了碳化硼材料的面硬度，相比于現(xiàn)有技術(shù)中的復(fù)合材料具有更好的材料硬度和韌性性能。


圖1碳化硼復(fù)合材料的示意圖。其中1:碳纖維增強(qiáng)碳材料；2:碳化硼。
具體實(shí)施例方式下面將通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明，但不僅僅局限于以下實(shí)施例。
實(shí)施例1:
先稱取主料，碳化硼粉97wt% (D50=l.9 μ m)和碳粉3wt%,再稱取并加入異丁烯類聚合物2.5wt% (以主料計(jì))，四甲基氫氧化銨1.0wt% (以主料計(jì))，與去離子水一起放入球磨罐內(nèi)，加入B4C介質(zhì)球，介質(zhì)球與物料重量比為2:1，球磨36小時(shí)，后經(jīng)蠕動(dòng)泵送入到噴霧干燥造粒機(jī)內(nèi)造粒，采用80目過篩后使用。將造粒料充入金屬模具中，經(jīng)30MPa壓力成型，得到60mm X 60mm X 6mm 試樣。將購買的高模量 短切碳纖維(25vol%)，在通風(fēng)櫥中逐漸加入到苯溶劑中，并采用超聲分散，再逐漸將浙青加入，并分散。將分散均勻的短切碳纖維-浙青體系混合物,真空干燥箱中120°C，3小時(shí)烘干。取出烘干后的短切碳纖維-浙青混合物，手工加工出面積為60mm X 60mm 的樣塊。將碳化硼樣塊與短切碳纖維-浙青混合物樣塊上下水平放置，并放入到熱壓石墨模具內(nèi)，裝入碳管爐內(nèi)，向爐內(nèi)緩慢通入流動(dòng)的Ar氣，20MPa壓力下，緩慢升溫至800° C，保溫0.5小時(shí)，然后快速升溫至2100°C，保溫I小時(shí)，隨爐冷卻降至室溫。得到的樣品，碳化硼層厚度約為3.5mm,碳纖維增強(qiáng)碳材料層約為1.2mm。采用阿基米德法測量密度與開口孔隙率，分別為2.301g/cm3和2.31%，通過計(jì)算知，該碳化硼復(fù)合材料到達(dá)理論密度值的93.9% (碳化硼理論密度2.52 g/cm3，碳纖維增強(qiáng)碳材料理論密度以2.25 g/cm3計(jì)算)。測得碳化硼面硬度為3239HV0.3。
實(shí)施例2:
先稱取主料，碳化硼粉95.5wt% (D50=l.9 μ m)和硼粉4.5wt%,再稱取并加入PVA1.5wt% (以主料計(jì))，四甲基氫氧化銨1.0wt% (以主料計(jì))，與去離子水一起放入球磨罐內(nèi)，加入B4C介質(zhì)球，介質(zhì)球與物料重量比為2:1，球磨36小時(shí)，后經(jīng)蠕動(dòng)泵送入到噴霧干燥造粒機(jī)內(nèi)造粒，采用80目過篩后使用。將造粒料充入金屬模具中，經(jīng)SOMPa壓力成型，得到60mm X 60mm X 4mm 試樣。在通風(fēng)櫥中先將浙青溶于苯中，然后將購買的碳纖維布(400g/m2，厚度為0.42mm),在浙青-苯溶液中浸潰，同時(shí)施以超聲分散。將浸潰有浙青的纖維布，放入真空干燥箱中120°C，8小時(shí)烘干。取出烘干后的碳纖維布-浙青混合物，手工切成面積為60mm X 60mm 的樣品。將浸潰有浙青的60mmX60mm的碳纖維布，依次放入到熱壓石墨模具內(nèi)，然后最上面放一層60mmX60mmX4mm的碳化硼預(yù)壓片。將裝好的石墨模具帶樣品一起放入碳管爐內(nèi)，向爐內(nèi)緩慢通入流動(dòng)的Ar氣，IOMPa壓力下，緩慢升溫至800° C，保溫0.5小時(shí)，然后將壓力提高至40MPa，快速升溫至2100°C，保溫I小時(shí)，隨爐冷卻降至室溫。得到的樣品，碳化硼層厚度約為2.1mm，碳纖維增強(qiáng)碳材料層約為4.0mm。采用阿基米德法測量密度與開口孔隙率，分別為1.993g/cm3和5.31%，通過計(jì)算知，該碳化硼復(fù)合材料到達(dá)理論密度值的85.1% (碳化硼理論密度2.52 g/cm3，碳纖維增強(qiáng)碳材料理論密度以2.25 g/cm3計(jì)算)。測得碳化硼面硬度為3378HV0.3。
實(shí)施例3: 先向碳化硼粉(D50=0.8μηι)中加入甲基纖維素3wt% (以碳化硼粉計(jì))，葡萄糖3wt%(以碳化硼粉計(jì))，四甲基氫氧化銨2wt% (以碳化硼粉計(jì))，與去離子水共同放入球磨罐內(nèi)，加入B4C介質(zhì)球，介質(zhì)球與物料重量比為4:1，球磨48小時(shí)，后經(jīng)蠕動(dòng)泵送入到噴霧干燥造粒機(jī)內(nèi)造粒，采用80目過篩后使用。將造粒料充入金屬模具中，經(jīng)IOOMPa壓力成型，得到60mm X 60mm X 4mm 試樣。在通風(fēng)櫥中先將浙青溶于苯中，并向其中加入15%的碳化硼微粉(D50=0.8 μ m)。將購買的高溫石墨租(0.14g/cm3,厚度為15mm),在浙青-苯溶液中浸潰，同時(shí)施以超聲分散。將浸潰有浙青-碳化硼微粉的碳?xì)郑湃胝婵崭稍锵渲?20°C，8小時(shí)烘干。取出烘干后的碳租-浙青/碳化硼混合物，手工切成面積為60mmX60mm的樣品。將浸潰過的60mmX60mm的碳?xì)郑来畏湃氲綗釅菏＞邇?nèi)，上面放一層60mmX60mmX4mm的碳化硼預(yù)壓片。將裝好的石墨模具帶樣品一起放入碳管爐內(nèi)，向爐內(nèi)緩慢通入流動(dòng)的Ar氣，IOMPa壓力下，緩慢升溫至800° C，保溫0.5小時(shí)，然后將壓力提高至4010^，快速升溫至2050°(:，保溫I小時(shí)，隨爐冷卻降至室溫。得到的樣品，碳化硼層厚度約為2.1mm,碳纖維增強(qiáng)碳/碳化硼材料層約為6.2mm厚。采用阿基米德法測量密度與開口孔隙率，分別為2.138/(^3和3.62%，通過計(jì)算知，該碳化硼復(fù)合材料到達(dá)理論密度值的90.3%(碳化硼理論密度2.52 g/cm3，碳纖維增強(qiáng)碳材料理論密度以2.25 g/cm3計(jì)算)。測得碳化硼面硬度為3280HV0.3。
權(quán)利要求
1.一種碳化硼/碳纖維復(fù)合陶瓷，其特征在于其具備層狀結(jié)構(gòu)，碳化硼和碳纖維交替分布，碳化硼的厚度在1-300mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硼/碳纖維復(fù)合陶瓷，其特征在于碳纖維是經(jīng)浸潰處理的短切碳纖維、連續(xù)纖維編織體或者由短切碳纖維組成的石墨氈。
3.根絕權(quán)利要求2所述的碳化硼/碳纖維復(fù)合陶瓷，其特征在于碳纖維浸潰處理所用的試劑為有機(jī)碳前驅(qū)體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的碳化硼/碳纖維復(fù)合陶瓷，其特征在于有機(jī)碳前驅(qū)體為浙青、煤焦油、酚醛樹脂、糠醛樹脂。
5.一種制備權(quán)利要求1所述的碳化硼/碳纖維復(fù)合陶瓷的方法，包括: 步驟一:將碳化硼粉末預(yù)先成型； 步驟二:碳纖維預(yù)先浸潰成型； 步驟三:將碳化硼粉末或碳化硼預(yù)成型體與浸潰過后的碳纖維疊層組合，碳化硼粉末與浸潰過后的碳纖維在常壓或熱壓下成型，碳化硼預(yù)成型體與浸潰過后的碳纖維燒結(jié)或熱壓成型。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的碳化硼/碳纖維復(fù)合陶瓷的方法，其特征在于步驟二中碳纖維包括短切碳纖維、連續(xù)纖維編織體或由短切碳纖維組成的石墨氈。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的碳化硼/碳纖維復(fù)合陶瓷的方法，其特征在于步驟二中浸潰所用試劑為有機(jī)碳前驅(qū)體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的碳化`硼/碳纖維復(fù)合陶瓷的方法，其特征在于有機(jī)碳前驅(qū)體為浙青、煤焦油、酚醛樹脂、糠醛樹脂。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的碳化硼/碳纖維復(fù)合陶瓷的方法，其特征在于有機(jī)前驅(qū)體中加入碳化硼微粉或硼粉。
全文摘要
本發(fā)明公開一種碳化硼/碳纖維復(fù)合陶瓷,其特征在于其具備層狀結(jié)構(gòu)，碳化硼層和碳纖維層交替分布，通過碳化硼陶瓷與碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)合，可利用碳化硼的高硬度等優(yōu)異性能，同時(shí)通過碳纖維增強(qiáng)材料的非脆性斷裂特點(diǎn)改善碳化硼陶瓷的脆性失效的缺點(diǎn)。通過瀝青等有機(jī)碳源物質(zhì)的預(yù)先浸漬成型，獲得碳纖維增強(qiáng)體。然后將預(yù)先成型的碳化硼成型體或直接與碳化硼微粉共燒結(jié)，獲得具有層狀分布碳化硼復(fù)合材料。
文檔編號(hào)C04B35/622GK103073318SQ20131003676
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月31日
發(fā)明者張福軍 申請人:常熟華融太陽能新型材料科技有限公司