一种碳纤维增强陶瓷基复合材料及热解碳界面层制备方法
技术领域
本发明涉及碳纤维增强陶瓷基复合材料界面改性技术领域，具体提供一种碳纤维增强陶瓷基复合材料及热解碳界面层制备方法。
背景技术
碳纤维增强陶瓷基复合材料是由碳纤维作为增强体，陶瓷作为基体的复合材料。通过添加耐高温陶瓷基体，碳纤维增强陶瓷基复合材料可以作为耐高温材料使用。相比于其他耐高温材料，碳纤维增强陶瓷基复合材料具有比重轻、热导率低、热膨胀系数低、耐化学腐蚀、强度高、硬度大等特点，已经成为一种理想的高温结构材料。然而复合材料的增强体碳纤维与陶瓷基体之间物理和化学性质的差异，造成两者存在热膨胀系数不匹配以及微观晶格不匹配的问题。两者结合的界面在施加应力时，容易发生脆性断裂，导致复合材料强度和韧性的降低。
发明内容
本发明的技术任务是针对上述存在的问题，提供一种碳纤维增强陶瓷基复合材料及热解碳界面层制备方法，解决碳纤维增强陶瓷基复合材料增强体与基体性质不匹配的问题。
界面在复合材料中起到了传递载荷、热量等作用，同时也是材料断裂过程中裂纹、缺陷等集中的区域，界面性能对复合材料的力学性能和热物理性能有显著的影响，因此，界面改性是提高复合材料力学性能和抗氧化烧蚀性能的重要途径。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种碳纤维增强陶瓷基复合材料，所述复合材料的组成包括碳纤维增强体、陶瓷基体、热解碳界面层，所述热解碳界面层位于碳纤维增强体与陶瓷基体之间并包覆于碳纤维增强体上，所述热解碳界面层采用化学气相沉积工艺在碳纤维增强体表面沉积热解碳形成。
所述碳纤维增强体采用复合材料体积分数为20％-40％的三维碳纤维编织物。
所述热解碳界面层厚度为100nm-10μm。
一种碳纤维增强陶瓷基复合材料热解碳界面层制备方法，所述方法包括步骤如下：
步骤一
将所述碳纤维增强体放入高温炉中在真空状态下进行排胶处理。
步骤二
将所得碳纤维增强体放入化学气相沉积炉内，进行热解碳界面层沉积。
所述碳纤维增强体为采用编织工艺将碳纤维编织成所需形状的三维碳纤维编织物增强体。
所述步骤一中排胶处理温度为600-1200℃。
所述步骤二中热解碳界面层沉积工艺条件包括内容如下：
所述碳纤维增强体为针刺结构、三维编织或2.5D编织结构。
所述方法通过调节工艺参数，包括温度、压强、气体流量、沉积时间，得到不同厚度和结构的热解碳界面层。
与现有技术相比，本发明一种碳纤维增强陶瓷基复合材料及热解碳界面层制备方法具有以下突出的有益效果：
本发明通过设计热解碳界面层，有效改善了碳纤维与陶瓷基体的界面结合状态与微观组织结构，大大提高了复合材料的力学性能及热物理性能。热解碳在碳纤维表面均匀铺层、厚度一致，填充了碳纤维表层的沟壑。
本发明一方面缓解了复合材料中增强体碳纤维与陶瓷基体之间的物理和化学性质的不匹配，另一方面保护了碳纤维在后续制备陶瓷基体中免受损害。采用本发明方法制备的热解碳界面层提高了复合材料的强度和韧性，同时使材料的断裂行为由脆性断裂变为韧性断裂。
附图说明
图1是未做真空脱脂处理的碳纤维表面状态的扫描电镜图；
图2是真空脱脂处理后的碳纤维表面状态的扫描电镜图；
图3是厚度约为200nm碳纤维表面沉积热解碳界面层的扫描电镜图；
图4是厚度约为1μm碳纤维表面沉积热解碳界面层的扫描电镜图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种碳纤维增强陶瓷基复合材料热解碳界面层制备方法，实施步骤如下：
首先进行碳纤维增强体的成型：采用针刺编织工艺，一层T7006K无纬布与一层T70012K网胎交替叠加铺层连续针刺而形成整体织物，无纬布采用0°/90°铺层。
对碳纤维增强体进行真空排胶处理。将碳纤维增强体放入高温炉中在真空状态下进行排胶处理，处理温度为1040℃，处理时间1.5h。
沉积热解碳界面层。将上述处理后的碳纤维增强体放入化学气相沉积炉内，按照下述工艺条件进行热解碳界面层沉积，沉积温度为950℃，丙烷气体流量为1.0L/min，氩气流量为4.0L/min，炉内压强为4.0KPa，沉积时间为12h。
引入超高温陶瓷基体。采用浸渍-裂解工艺，在沉积界面层后的碳碳复合材料内部引入SiC和ZrC超高温陶瓷。重复浸渍-裂解工艺循环6次，得到密度为1.82g/cm3的Cf/C-SiC-ZrC复合材料。
如图2所示为真空脱脂处理后的碳纤维表面状态的扫描电镜图，图3所示为碳纤维表面沉积热解碳界面层后的扫描电镜图，本实例制得的热解碳界面层，通过扫描电镜观察发现，热解碳层厚度均匀，厚度约为200nm。热解碳界面层能够改善碳纤维与陶瓷基体的界面结合状态与微观组织结构，提高复合材料的力学性能和热物理性能。
实施例2
一种碳纤维增强陶瓷基复合材料热解碳界面层制备方法，实施步骤如下：
首先进行碳纤维增强体的成型。采用针刺编织工艺，一层T7006K无纬布与一层T70012K网胎交替叠加铺层连续针刺而形成整体织物，无纬布采用0°/90°铺层。
对碳纤维增强体进行真空排胶处理。将碳纤维增强体放入高温炉中在真空状态下进行排胶处理，处理温度为950℃，处理时间2h。
沉积热解碳界面层。将上述处理后的碳纤维增强体放入化学气相沉积炉内，按照下述工艺条件进行热解碳界面层沉积，沉积温度为970℃，丙烷气体流量为2.0L/min，氩气流量为6.0L/min，炉内压强为5.0KPa，沉积时间为50h。
引入超高温陶瓷基体。采用浸渍-裂解工艺，在沉积界面层后的碳碳复合材料内部引入SiC和ZrC超高温陶瓷。重复浸渍-裂解工艺循环6次，得到密度为1.85g/cm3的Cf/C-SiC-ZrC复合材料。
如图4所示为本实例碳纤维表面沉积热解碳界面层后的扫描电镜图，制得的热解碳界面层，通过扫描电镜观察发现，热解碳层厚度均匀，厚度约为1μm。热解碳界面层能够改善碳纤维与陶瓷基体的界面结合状态与微观组织结构，提高复合材料的力学性能和热物理性能。
对比例
传统碳纤维增强陶瓷基复合材料热解碳界面层制备方法，实施步骤如下：
首先进行碳纤维增强体的成型：采用针刺编织工艺，一层T7006K无纬布与一层T70012K网胎交替叠加铺层连续针刺而形成整体织物，无纬布采用0°/90°铺层。
对比例中不进行热解碳界面层沉积处理，如图1所示为未做真空脱脂处理的碳纤维表面状态的扫描电镜图。采用浸渍-裂解工艺，在碳纤维预制体内部引入SiC和ZrC超高温陶瓷。重复浸渍-裂解工艺循环6次，得到密度为1.80g/cm3的Cf/SiC-ZrC复合材料。
表一
表一为对比例和实施例1-2的弯曲强度和断裂韧性，由表一可以看出，制备了热解碳界面层的Cf/C-SiC-ZrC复合材料的弯曲强度、拉伸强度和断裂韧性要优于未制备热解碳界面层的Cf-SiC-ZrC复合材料。这说明热解碳界面层，在基体与碳纤维之间起到了很好的连接作用，提高了复合材料的强度和断裂韧性。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
