一种高强碳纤维增强磷酸锆陶瓷基复合材料及其制备方法.pdf

本发明公开了一种高强碳纤维增强磷酸锆陶瓷基复合材料及其制备方法，其特征在于，由下列重量份的原料制成：磷酸锆60-70、聚乙二醇2-3、氧化镁10-15、改性高弹碳纤维10-13、碳纳米管7-9、甲基丙烯酸羟甲酯5-8、过硫酸钾0.03-0.04、石蜡乳液1-2、三亚乙基四胺0.2-0.4、钛白粉5-8、聚异丁烯1-2、乙醇20-25、去离子水30-50；本发明采用改性高强碳纤维作为增强相，具有优良的抗氧化、增强陶瓷韧性、强度、耐高低温、导热性好和膨胀系数小的优点，添加的氧化镁在高温下产生液相，填充了气孔，促进晶粒的发育和坯体的致密化。

1.  一种高强碳纤维增强磷酸锆陶瓷基复合材料及其制备方法，其特征在于，由下列重量份的原料制成：磷酸锆60-70、聚乙二醇2-3、氧化镁10-15、改性高弹碳纤维10-13、碳纳米管7-9、甲基丙烯酸羟甲酯5-8、过硫酸钾0.03-0.04、石蜡乳液1-2、三亚乙基四胺0.2-0.4、钛白粉5-8、聚异丁烯1-2、乙醇20-25、去离子水30-50；
所述改性高强碳纤维的制备方法是：将高强碳纤维在硝酸中浸泡1-2小时，取出后用蒸馏水冲洗2-3次，烘干备用；将10-15重量份的钛酸四丁酯和150-180重量份的乙醇混合加到带有磁力搅拌器的烧瓶中，将2-3重量份的去离子水、0.2-0.4重量份的盐酸和2-5重量份的乙醇充分混合，缓慢滴加到烧瓶中，再加入2-4重量份的氧化银粉末，搅拌30-40分钟，将备用的高强碳纤维加到凝胶中在真空度为0.09-0.1MPa下浸渍1-2小时，取出后于70-80°C下烘干，如此反复操作2-3次，最后在高纯氩气的保护下于500-600°C下高温反应1-2小时即可。

2.  根据权利要求书1所述一种高强碳纤维增强磷酸锆陶瓷基复合材料及其制备方法，其特征在于，由以下具体步骤制成：
（1）将磷酸锆、氧化镁和碳纳米管加到球磨机中，以氧化铝求作为球磨介质，料球比为1:2，再将甲基丙烯酸羟甲酯、过硫酸钾加到乙醇和去离子水的混合溶液中，溶解后加入石蜡乳液、聚异丁烯和改性高弹碳纤维搅拌均匀后加到球磨机中，球磨20-40分钟；
（2）将球磨得到的浆料抽真空，抽2-5分钟后向浆料中加入三亚乙基四胺继续搅拌均匀，再将浆料注入到叠层玻璃模具中后在真空干燥箱内于60-80°C下干燥1-2小时；
（3）将步骤（2）中的湿坯脱模在室温下自然干燥1-2天，然后在95-100°C温度下，湿度在60-70%的条件下干燥1-2天，将剩余的成分装入等离子喷涂送粉装置在坯体表面喷涂均匀；
（4）将步骤（3）的坯体在室温下以3-5°C/min的速率升温至200°C，再以1-2°C/min的速率升温至600°C，恒温保持1-2小时后放置于真空烧结炉中，在1200-1400°C的温度下烧结3-4小时，即可得到。

一种高强碳纤维增强磷酸锆陶瓷基复合材料及其制备方法
技术领域
    本发明涉及一种高强碳纤维增强磷酸锆陶瓷基复合材料及其制备方法，属于陶瓷生产技术领域。
背景技术
陶瓷是中国古代劳动人民的伟大发明之一。在一个相当长的历史时期，陶瓷产品也主要是满足用器皿和建筑材料的需要。近三四十年来，由于科学技术的迅速发展，特别是电子技术、空间技术、计算机技术的发展，迫切需要有特殊性能的材料。耐高温、高强度、高稳定的低膨胀氧化物陶瓷材料成为新型陶瓷材料的研究热点，磷酸锆陶瓷正是在此基础上兴起的一种高技术新型陶瓷材料。磷酸锆陶瓷除了具有高强度、耐高温、抗热震、低膨胀等优良的综合性能，还具有较低的介电常数与介电损耗，作为一种性能优异、前景广阔的新型陶瓷材料，其潜在应用可广泛分布于化工、电子、军事等。纯磷酸锆陶瓷不易致密化烧结，易形成多孔结构，在1600°C也很难烧结，1600°C以上会发生缓慢的分解，所以磷酸锆陶瓷的烧结温度应当控制在1600°C以下，降低磷酸锆的烧结温度并形成致密的结构主要是通过添加能形成磷酸盐高熔点液相的金属氧化物来实现，氧化镁在高温下产生液相，液相湿润并包裹磷酸，发生重排，较小的晶粒优先溶解，在液相中达到饱和后就会在尺寸较大的晶粒上发生沉淀，填充了气孔，促进晶粒的发育和坯体的致密化，但是断裂韧性差是其致命的缺点，限制了其应用的广泛性。
高弹碳纤维具有强度高，弹性模量高，密度小、比强度高，能耐超高、低温，耐酸碱腐蚀性好，热膨胀系数小、导热系数大，可以耐急冷急热不易炸裂的优点，但是高弹碳纤维的缺点是在强酸作用下易发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象，所以本发明采用凝胶-浸渍法在碳纤维表面进行抗氧化处理，大大提高了高弹碳纤维的性能。碳纤维增强陶瓷复合材料具有明显的耐高低温性能、耐酸性、耐摩擦、耐磨损的优点，生物相容性好，适用性广，作为陶瓷基体的增强相可以保证产品的质量，又能够降低成本，拥有其他材料无法比拟的优势。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强碳纤维增强磷酸锆陶瓷基复合材料及其制备方法，解决了磷酸锆不易烧结致密、韧性差的问题，方法简单易行，满足了市场的需求。
为了实现本发明的目的，本发明通过以下方案实施：
一种高强碳纤维增强磷酸锆陶瓷基复合材料及其制备方法，由下列重量份的原料制成：磷酸锆60-70、聚乙二醇2-3、氧化镁10-15、改性高弹碳纤维10-13、碳纳米管7-9、甲基丙烯酸羟甲酯5-8、过硫酸钾0.03-0.04、石蜡乳液1-2、三亚乙基四胺0.2-0.4、钛白粉5-8、聚异丁烯1-2、乙醇20-25、去离子水30-50；
所述改性高强碳纤维的制备方法是：将高强碳纤维在硝酸中浸泡1-2小时，取出后用蒸馏水冲洗2-3次，烘干备用；将10-15重量份的钛酸四丁酯和150-180重量份的乙醇混合加到带有磁力搅拌器的烧瓶中，将2-3重量份的去离子水、0.2-0.4重量份的盐酸和2-5重量份的乙醇充分混合，缓慢滴加到烧瓶中，再加入2-4重量份的氧化银粉末，搅拌30-40分钟，将备用的高强碳纤维加到凝胶中在真空度为0.09-0.1MPa下浸渍1-2小时，取出后于70-80°C下烘干，如此反复操作2-3次，最后在高纯氩气的保护下于500-600°C下高温反应1-2小时即可。
本发明所述一种高强碳纤维增强磷酸锆陶瓷基复合材料及其制备方法，由以下具体步骤制成：
（1）将磷酸锆、氧化镁和碳纳米管加到球磨机中，以氧化铝求作为球磨介质，料球比为1:2，再将甲基丙烯酸羟甲酯、过硫酸钾加到乙醇和去离子水的混合溶液中，溶解后加入石蜡乳液、聚异丁烯和改性高弹碳纤维搅拌均匀后加到球磨机中，球磨20-40分钟；
（2）将球磨得到的浆料抽真空，抽2-5分钟后向浆料中加入三亚乙基四胺继续搅拌均匀，再将浆料注入到叠层玻璃模具中后在真空干燥箱内于60-80°C下干燥1-2小时；
（3）将步骤（2）中的湿坯脱模在室温下自然干燥1-2天，然后在95-100°C温度下，湿度在60-70%的条件下干燥1-2天，将剩余的成分装入等离子喷涂送粉装置在坯体表面喷涂均匀；
（4）将步骤（3）的坯体在室温下以3-5°C/min的速率升温至200°C，再以1-2°C/min的速率升温至600°C，恒温保持1-2小时后放置于真空烧结炉中，在1200-1400°C的温度下烧结3-4小时，即可得到。
本发明的优点是：本发明采用改性高强碳纤维作为增强相，具有优良的抗氧化、增强陶瓷韧性、强度、耐高低温、导热性好和膨胀系数小的优点，添加的氧化镁在高温下产生液相，填充了气孔，促进晶粒的发育和坯体的致密化。
具体实施方案
下面通过具体实例对本发明进行详细说明。
一种高强碳纤维增强磷酸锆陶瓷基复合材料及其制备方法，由下列重量份（公斤）的原料制成：磷酸锆70、聚乙二醇3、氧化镁15、改性高弹碳纤维12、碳纳米管8、甲基丙烯酸羟甲酯6、过硫酸钾0.03、石蜡乳液2、三亚乙基四胺0.3、钛白粉5、聚异丁烯2、乙醇20、去离子水50；
所述改性高强碳纤维的制备方法是：将高强碳纤维在硝酸中浸泡2小时，取出后用蒸馏水冲洗3次，烘干备用；将15重量份的钛酸四丁酯和180重量份的乙醇混合加到带有磁力搅拌器的烧瓶中，将3重量份的去离子水、0.4重量份的盐酸和5重量份的乙醇充分混合，缓慢滴加到烧瓶中，再加入4重量份的氧化银粉末，搅拌40分钟，将备用的高强碳纤维加到凝胶中在真空度为0.09MPa下浸渍1小时，取出后于80°C下烘干，如此反复操作3次，最后在高纯氩气的保护下于600°C下高温反应2小时即可。
本发明所述一种高强碳纤维增强磷酸锆陶瓷基复合材料及其制备方法，由以下具体步骤制成：
（1）将磷酸锆、氧化镁和碳纳米管加到球磨机中，以氧化铝求作为球磨介质，料球比为1:2，再将甲基丙烯酸羟甲酯、过硫酸钾加到乙醇和去离子水的混合溶液中，溶解后加入石蜡乳液、聚异丁烯和改性高弹碳纤维搅拌均匀后加到球磨机中，球磨30分钟；
（2）将球磨得到的浆料抽真空，抽4分钟后向浆料中加入三亚乙基四胺继续搅拌均匀，再将浆料注入到叠层玻璃模具中后在真空干燥箱内于80°C下干燥2小时；
（3）将步骤（2）中的湿坯脱模在室温下自然干燥2天，然后在100°C温度下，湿度在60%的条件下干燥2天，将剩余的成分装入等离子喷涂送粉装置在坯体表面喷涂均匀；
（4）将步骤（3）的坯体在室温下以4°C/min的速率升温至200°C，再以1°C/min的速率升温至600°C，恒温保持2小时后放置于真空烧结炉中，在1300°C的温度下烧结4小时，即可得到。
本实施例中陶瓷的性能指标结果如下：
抗压强度（MPa）：≥220；
断裂韧性（Mpa/m^1/2）：≥4.3；
弯曲强度（MPa）：≥128；
热膨胀系数（10^-6/K）：≥3.8；
介电常数：≥5。