一种耐高温低成本陶瓷碳纤维复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及陶瓷碳纤维复合材料领域，尤其涉及一种耐高温低成本陶瓷碳纤维复合材料。

背景技术：

一般而言的碳纤维复合材料是有机粘接材料(如环氧树脂)与碳纤维的单一复合，而没有陶瓷基，因而不具备陶瓷各性，而且成本很高。

国内外碳纤维复合材料当前不少见，一般的碳纤维复合材料是碳纤维与有机树脂等复合成结构材料，比如说碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比強度比模量综合指标，在现在结构材料中是最高的，颇有优势，在国内航空汽车等方面都已有应用，但是耐高温高硬度轻型低成本碳纤维复材还没有，有机硅改性环氧树脂或聚酰亚胺树脂的碳纤维复合材料耐高温最高也不过400-500度，而且成本很高，限制了推广使用范围。而耐1000度以上，特别是可以耐高温达到2000度的低成本、高硬度陶瓷碳纤维复合材料在国内外还末见报导。

陶瓷碳纤维复合材料是以陶瓷材料为基体与各种高性能纤维材料及耐高温树脂胶均匀混合在模具中加热加压成型的一类复合材料，陶瓷基体可为浮石粉、碳化硅、碳化锆、硅酸铝、硅酸锆、铝基碳化硅中的一种或几种组合，纤维材料可以为石墨化碳纤维原丝或碳化硅纤维丝。将上述材料混合制作出的复合材料不仅可以保持陶瓷耐高温的特性，还可保留碳纤维的高强度高弹性，可广泛应用于航天航空、舰艇、高铁、汽车等方面的零部件，具有非常广阔的市场前景，上述材料的研究也成为国家工信部的重点研发项目。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种耐高温1000-2000度纳米无机硅树脂胶，具有胶粘接复合特性，可与陶瓷基体材料和碳纤维充分混合后，在一定温度一定压力下形成具有不同功能不同规格的陶瓷碳纤维复合材料。

具体方案如下：

一种纳米无机硅耐高温树脂胶，按重量份计包括以下组分：无机盐高温胶50-120份，纳米二氧化硅10-50份，金属氧化物1-40份，金属氢氧化物1-35份。

优选的，所述其中无机盐高温胶为液体硅酸钠(泡花碱)或磷酸二氢铝。

优选的，所述纳米二氧化硅为钠米硅微粉或硅含量99％以上的超细石英粉。

优选的，所述金属氧化物为氧化镁或氧化铝，金属氢氧化物为氢氧化铝或氢氧化锆或氢氧化镁。

本发明还提供一种所述的纳米无机硅耐高温树脂胶的制备方法，将配方量的无机盐高温胶、纳米二氧化硅、金属氧化物及金属氢氧化物(所述金属氧化物为氧化镁或氧化铝，金属氢氧化物为氢氧化铝或氢氧化锆或氢氧化镁)分别加入到混合搅拌机内，常温下搅拌混合均匀即得纳米无机硅树脂胶。

本发明还提供一种陶瓷碳纤维复合材料，是将所述的纳米无机硅耐高温树脂胶，陶瓷基体材料，碳纤维丝充分混合后在热压机内作用下加工而成的复合材料。

进一步的，所述陶瓷基体材料为陶瓷基体为浮石粉、碳化硅、碳化锆、硅酸铝、硅酸锆、铝基碳化硅中的一种或两种以上的组合。

进一步的，所述陶瓷基体材料为超轻体陶瓷基体材料、轻体高硬度陶瓷基体材料、高融点高硬度陶瓷基体材料中的一种；其中，所述超轻体陶瓷基体材料为浮石粉或硅酸铝粉或硅酸锆粉或陶瓷粉；所述高融点高硬度陶瓷基体材料由硅酸锆、碳化硅和碳化锆组成；所述轻型高硬度陶瓷基体材料由硅酸锆和铝基碳化硅组成。

进一步的，所述陶瓷基体材料为超轻体陶瓷基体材料时，所述陶瓷碳纤维复合材料的重量配比为纳米无机硅树脂胶50-80份(优选70份)，轻体陶瓷基料粉5-15份(优选10份)，碳纤维丝10-20份(优选15份)；

所述陶瓷基体材料为高融点高硬度陶瓷基体材料时，所述陶瓷碳纤维复合材料的重量配比为纳米无机硅树脂胶30-80份(优选50份)，硅酸锆20-80份(优选40份)，碳化硅10-50份(优选30份)，碳化锆20-80份(优选60份)，碳纤维丝1-15份(优选3份)；

所述陶瓷基体材料为轻型高硬度陶瓷基体材料时，所述陶瓷碳纤维复合材料的重量配比为纳米无机硅树脂胶30-80份(优选50份)，硅酸锆10-40份(优选30份)，铝基碳化硅30-80份(优选70份)，碳纤维丝1-30份(优选10份)。

进一步的，所述碳纤维丝为1-2公分长的石墨化碳纤维原丝或碳化硅纤维丝。

进一步的，所述的陶瓷碳纤维复合材料的制备方法是将配方量的纳米无机硅树脂胶，陶瓷基体材料和碳纤维丝在混合搅拌机内充分搅拌混合均匀后放入所需规格的模具中，在平板热压机内0.8-1.0mpa下，250℃20分钟加压20分钟成型即得所需规格的陶瓷碳纤维复合板。

本发明具有的优点和积极效果是：

采用本发明的上述技术方案所生产的耐高温陶瓷碳纤维复合材料性能如下：1、耐高温1000-2000度(可调)；

2、高强度高硬度：其比强度比钢大16倍，可达3.5gpo，硬度可达7-8h；

3、轻量化：本发明使用轻型陶瓷基体比重可达1.7-2.0；

4、热膨胀性较小；

5、耐腐蚀抗蠕变整体性好；

6、抗拉耐磨性好；

7、耐酸、耐碱、耐热性：在5％盐酸中常温浸泡168小时无变化，在5％氢氧化钠中常温浸泡168小时无变化，水煮1小时无变化；

8、耐氧化抗紫外线：ae＝2(uv-老化试验168小时)；

9、成本低：本发明低成本表现在于使用价格低廉的轻型陶瓷基体材料，复合材料整体比重为1.7-2.0，平均每公斤复合材料成本为40-60元；

10、无毒无味绿色环保，可广泛应用于航天航空、舰艇、高铁、汽车等方面的零部件。

具体实施方式

下面及具体实施方式对本发明作进一步说明。实施例所用主要设备有卧式双轴混合搅拌机，平板热压机，聚四氟乙烯质模具。

本发明公开一种纳米无机硅耐高温树脂胶，按重量份计包括以下组分：无机盐高温胶50-120份，纳米二氧化硅10-50份，金属氧化物1-40份；金属氢氧化物1-35份；实际操作过程中作为优选方案，所述金属氧化物为氧化镁或氧化铝，金属氢氧化物为氢氧化铝或氢氧化锆或氢氧化镁。

进一步的，最佳配方配比为无机盐高温胶100份，纳米二氧化硅30份，活性氧化镁10份，氢氧化铝5份。

所述的纳米无机硅耐高温树脂胶的制备方法，将配方量的无机盐高温胶、纳米二氧化硅、金属氧化物及金属氢氧化物分别加入到混合搅拌机内，常温下搅拌混合均匀即得纳米无机硅树脂胶。

本发明还提供一种陶瓷碳纤维复合材料，是将所述的纳米无机硅耐高温树脂胶，陶瓷基体材料，碳纤维丝充分混合后在热压机内作用下加工而成的复合材料。所述陶瓷基体材料为超轻体陶瓷基体材料、轻体高硬度陶瓷基体材料、高融点高硬度陶瓷基体材料中的一种；

当所述陶瓷基体材料为超轻体陶瓷基体材料时，所述陶瓷碳纤维复合材料的重量配比为纳米无机硅树脂胶50-80份(最佳配比为70份)，超轻体陶瓷基料粉5-15份(最佳配比为10份)，碳纤维丝10-20份(最佳配比为15份)；

所述陶瓷基体材料为高融点高硬度陶瓷基体材料时，所述陶瓷碳纤维复合材料的重量配比为纳米无机硅树脂胶30-80份(最佳配比为50份)，硅酸锆20-80份(最佳配比为40份)，碳化硅10-50份(最佳配比为30份)，碳化锆20-80份(最佳配比为60份)，碳纤维丝1-15份(最佳配比为3份)；

所述陶瓷基体材料为轻型高硬度陶瓷基体材料时，所述陶瓷碳纤维复合材料的重量配比为纳米无机硅树脂胶30-80份(最佳配比为50份)，硅酸锆10-40份(最佳配比为30份)，铝基碳化硅30-80份(最佳配比为70份)，碳纤维丝1-30份(最佳配比为10份)。

优选的，所述碳纤维丝为1-2公分长的石墨化碳纤维原丝或碳化硅纤维丝。上述陶瓷碳纤维复合材料的制备方法是将配方量的纳米无机硅树脂胶，陶瓷基体材料和碳纤维丝在混合搅拌机内充分搅拌混合均匀后放入所需规格的模具中，在平板热压机内0.8-1.0mpa下，250℃20分钟加压20分钟成型即得所需规格的陶瓷碳纤维复合板。

下面结合实施例对本发明的技术方案进行更详细的描述。

实施例1低成本超轻型陶瓷碳纤维复合材料的制备

(1)纳米无机硅树脂胶的生产：配方为：无机盐高温胶(本实施例中选择泡花碱)100份，纳米二氧化硅(本实施例中选择钠米硅微粉)30份，活性氧化镁10份，氢氧化铝5份；按上述配方配比将泡花碱，纳米硅微粉，活性氧化镁，氢氧化铝分别加入到混合搅拌机内，常温下搅拌混合均匀即为纳米无机硅树脂胶。分别称取70份，50份，50份纳米无机硅树脂胶备用；

(2)制作碳纤维丝：分别称取碳纤维(切割成1-2公分短纤维)10份，碳纤维(切割成1-2公分短纤维)15份，碳纤维(切割成1-2公分短纤维)3份备用；

(3)超轻体陶瓷碳纤维复合材料的制备：将纳米无机硅树脂胶70份，超轻体陶瓷基体(浮石粉)10份，碳纤维10份，在混合搅拌机内充分搅拌混合均匀后放入所需规格为10x10x2cm的模具中，在平板热压机内0.8-1.0压力下温度250度加压20分钟成型即得10x10x1cm低成本超轻体耐高温陶瓷碳纤维复合材料板。根据需要可以用各形状模具可压制各种板材，各种零部件，各种形材。

实施例2高融点高硬度陶瓷碳纤维复合材料的制备

称取硅酸锆40份，碳化硅30份，碳化锆60份，与实施例1中制作备用的纳米无机硅树脂胶50份，碳纤维15份，在混合搅拌机内充分搅拌混合均匀后放入所需规格为10x10x2cm的模具中，在平板热压机内0.8-1.0压力下温度250度加压20分钟成型即得低成本轻体高硬度陶瓷碳纤维复合材料板。根据需要可以用各形状模具可压制各种板材，各种零部件，各种形材。

实施例3轻体高融点高硬度陶瓷碳纤维复合材料的制备

称取超硬轻型陶瓷基体材料硅酸锆30份，铝基碳化硅60份，与实施例1中制作备用的纳米无机硅树脂胶50份，碳纤维3份，在混合搅拌机内充分搅拌混合均匀后放入所需规格为10x10x2cm的模具中，在平板热压机内0.8-1.0压力下温度250度加压20分钟成型即得10x10x1cm的低成本耐高温高硬度陶瓷碳纤维复合材料板。根据需要可以用各形状模具可压制各种板材，各种零部件，各种形材。

以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

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