本發(fā)明屬于航空航天飛行器熱防護系統(tǒng)(TPS)領(lǐng)域，涉及到在多孔碳復(fù)合材料內(nèi)原位生長碳化硅納米線增強相的制備方法，克服了多孔碳復(fù)合材料強度低的問題。

背景技術(shù)：

多孔碳復(fù)合材料即為短切纖維連接碳基體形成的孔隙率很高的復(fù)合材料，自從1960年美國建立了橡樹嶺國家實驗室以來，多孔碳復(fù)合材料得到了很好地發(fā)展。由于其輕質(zhì)(密度0.3g/cm³-1g/cm³)高的孔隙率(60％-90％)，低的熱傳導(dǎo)系數(shù)(在Z方向熱傳導(dǎo)率0.204Wm^-1K^-1到0.894Wm^-1K^-1,在XY方面熱傳導(dǎo)率0.314Wm^-1K^-1到1.888Wm^-1K^-1)，高溫結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，容易成型，并有望應(yīng)用于航空航天飛行器熱防護的關(guān)鍵部件。如：飛行器鼻錐、噴管、喉襯、機翼前緣、燃燒舵、發(fā)動機熱端等部位。但多孔碳復(fù)合材料固有的缺點是強度低，這嚴重制約著其廣泛的應(yīng)用前景,加入增強相，能夠有效的提高多孔碳復(fù)合材料的強度。

碳化硅納米線可以作為理想的增強相，然而用碳化硅納米線增強多孔碳復(fù)合材料，制備主要存在以下技術(shù)難點。

碳化硅納米線容易團聚，不好分散，若采用球磨極易破壞碳化硅納米線的結(jié)構(gòu)。

為了得到碳化硅納米線增強多孔碳復(fù)合材料，需要從制備工藝入手。在不破壞多孔碳復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，考慮將碳化硅納米線均勻分散到多孔碳復(fù)合材料中起到增強作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是通過將硅加熱蒸發(fā)，生成氣體，氣體進入多孔碳復(fù)合材料胚體的孔隙中，在一定溫度條件下和碳反應(yīng)生長出碳化硅納米線，然后經(jīng)過進一步處理形成多孔碳復(fù)合材料。解決了制備碳化硅納米線增強多孔碳復(fù)合材料的技術(shù)難點，提高了多孔碳復(fù)合材料的強度。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種原位生長碳化硅納米線增強多孔碳復(fù)合材料的制備方法，步驟如下：

(1)制備多孔碳復(fù)合材料胚體

將羥乙基纖維素溶于蒸餾水中形成質(zhì)量百分濃度為1％-2％的分散劑，然后將長度1-5mm的短碳纖維與粒徑≤0.1mm的酚醛樹脂顆粒分散到分散劑中，攪拌得到短碳纖維質(zhì)量百分濃度為0.65％-2.4％溶液，將溶液加入底部有石膏塊的容器中，吸水，最終形成短碳纖維夾雜酚醛樹脂顆粒的塊狀體，烘干，在200℃下固化2h，然后在1000℃真空條件下碳化1h，形成多孔碳復(fù)合材料胚體；其中短碳纖維與酚醛樹脂顆粒質(zhì)量比為3:5；

(2)制備碳化硅納米線增強多孔碳復(fù)合材料

硅粉置于容器中，在硅粉上加入步驟(1)制備得到的多孔碳復(fù)合材料胚體，在真空或惰性氣體條件下升溫至1500℃保溫30min，生成帶有碳化硅納米線的胚體；將帶有碳化硅納米線的胚體置于質(zhì)量百分濃度為30％-50％的酚醛樹脂溶液中抽真空浸漬，然后晾干，200℃固化2h后再1000℃真空碳化1h，得到碳化硅納米線增強多孔碳復(fù)合材料。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明利用羥乙基纖維素溶于水中形成良好的分散劑，能夠?qū)⒍烫祭w維和酚醛樹脂顆粒均勻的分散。經(jīng)后期吸水干燥以及固化碳化后，形成一種孔隙率高、孔隙直徑大的多孔碳復(fù)合材料胚體，為后期硅蒸汽的進入，與內(nèi)部的碳反應(yīng)生成碳化硅納米線提供了很好的通道，解決了制備碳化硅納米線增強多孔碳復(fù)合材料中碳化硅納米線分散難的問題，推動了其廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是多孔碳復(fù)合材料胚體的局部放大電子顯微照片。

圖2是圖1經(jīng)過碳化硅納米線的生長后局部放大電子顯微照片。

圖3是本實施例中多孔碳復(fù)合材料的斷面電子顯微照片。

具體實施方式

以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施方式。

實施例

一種原位生長碳化硅納米線增強多孔碳復(fù)合材料及制備方法，步驟如下：

(1)將羥乙基纖維素溶解到蒸餾水中，用磁力攪拌器攪拌4個小時，再靜置10個小時，形成濃度為1.2％的溶液。

(2)將質(zhì)量為3克的短碳纖維(長度3mm)和質(zhì)量為5克的酚醛樹脂顆粒(粒徑0.1mm)加入上述的溶液中，用磁力攪拌器攪拌2小時，待酚醛樹脂，短碳纖維分散均勻。

(3)將分散好的溶液倒入到玻璃管中，底部用石膏塊吸水12小時最終形成短碳纖維夾雜樹脂顆粒的塊狀體。

(4)將(3)中塊狀體烘干，放入高溫爐200度固化2h，再在高溫爐內(nèi)真空條件下1000度進行碳化1h，最終形成多孔碳復(fù)合材料胚體。

(5)將硅粉放到噴有氮化硼的坩堝底部，上面放上噴有氮化硼的多孔石墨薄片，在石墨薄片上放上多孔碳復(fù)合材料胚體。

(6)將石墨坩堝放到管式爐里面，真空條件下升溫至1500℃保溫3h生成碳化硅納米線，待冷卻室溫拿出。

(7)將酚醛樹脂溶于酒精中，制成濃度為40％的酚醛樹脂溶液，將(6)生成的帶有碳化硅納米線的胚體放入到樹脂溶液中抽真空浸漬30min，然后晾干，在高溫爐中200℃固化2h，再在高溫爐內(nèi)真空條件下1000℃保溫1h進行碳化，最終形成碳化硅納米線增強多孔碳復(fù)合材料。

本實施例中所制得材料的性能結(jié)果如下：

密度：0.574g/cm³

孔隙率：66.7％

XY面彎曲強度為11.88Mpa

Z面彎曲強度為4.77Mpa

XY面壓縮強度3.89Mpa

Z面壓縮強度4.4Mpa

從圖1多孔碳復(fù)合材料胚體微觀結(jié)構(gòu)可以看出，纖維與基體之間形成的孔隙非常多且孔徑很大，這為硅蒸汽的進入形成碳化硅提供了很好的通道。從圖2碳化硅納米線生長后的微觀照片可以看出，在多孔碳復(fù)合材料胚體中有大量的碳化硅納米線生成，這些碳化硅納米線均勻分散在碳纖維與基體碳中，將碳纖維與基體連接在一起。

從圖3復(fù)合材料的斷面電子顯微照片可以看出，在碳化硅納米線增強多孔碳復(fù)合材料斷裂時，在斷口還有明顯的納米線拔出，留下的小的空隙，這說明了納米線在多孔碳復(fù)合材料斷裂時起到了增強的作用。

綜上所述，本發(fā)明能夠通過原位生長將大量的碳化硅納米線均勻分散在多孔碳復(fù)合材料中，提高了多孔碳復(fù)合材料的強度，為多孔碳復(fù)合材料的使用提供了保障。