CNT纸/SiC复合材料的制备及其性能研究

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碳化硅(Silicon carbide,SiC)具有高强度,高硬度,高模量,低密度的特性。SiC还有良好的抗氧化性,抗腐蚀性,耐磨性,和低热膨胀系数。SiC同样可用作电磁屏蔽材料。但由于自身脆性,限制了SiC在实际中的应用。碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)拥有优异的电磁屏蔽性能和力学强度,其在复合材料领域里展现很好的应用潜力。然而,CNTs分散性差,不易与陶瓷基体形成良好的界面结合,这会限制CNT/SiC复合材料的发展和应用。本课题通过以CNTs、硅(Silicon,Si)粉为原料,碳化硼(Boron carbide,B4C)为改性填料,采用定向加压过滤技术制备获得CNT纸。采用真空-定向加压浸渍技术对CNT纸浸渍酚醛树脂溶液,然后热压固化成型,再热解和原位反应烧结。酚醛树脂热解成碳与CNT纸中Si发生原位反应生成SiC陶瓷基体,制备单层CNT纸/SiC复合材料,解决了CNTs的分散性问题,改善了CNTs和SiC陶瓷基体间的界面结合问题。本课题所制备的单层CNT纸/SiC纳米复合材料厚度为300-600μm,体积密度为1.75-1.86 g/cm3,气孔率为4%-6%。单层CNT纸/SiC纳米复合材料由SiC,B4C和C(CNTs和残留的树脂C)组成,Si与树脂C反应转化为SiC,剩余树脂C作为CNTs与SiC之间的中间界面,CNTs、B4C与SiC基体结合紧密。所制备单层CNT纸/SiC复合材料的硬度为8-10 GPa,压痕断裂韧性为9-11 MPa·m1/2。B4C,CNTs都起到弥散强韧化作用,而且,B4C还起到化学改性树脂C中间界面的作用。表面电阻率为146μΩ·m,体电阻率为155μΩ·m,具有良好的导电性。电磁屏蔽效率达到30 dB,主要屏蔽机理为表面反射,透射功率与总入射功率之比低于0.0012。在制备单层CNT纸/SiC纳米复合材料基础上,利用树脂碳焊接单层CNT纸/SiC材料,制备层板状CNT纸/SiC梯度复合材料,实现了高含量CNTs在宏观尺度的均匀弥散分布,实现CNTs复合材料由单层结构向多层结构的过渡。本课题所制备的层板状CNTs纸/SiC梯度复合材料为以单层CNT纸/SiC纳米复合材料作为结构层、以膨胀石墨和碳化硅晶须(SiCw)弥散强韧化的树脂碳作为界面层而构成的“砖-泥”结构,结构层厚度为150-200μm,界面层厚度为10-50μm,结构层层数为11-21层。所制备的层板状CNT纸/SiC梯度复合材料的体积密度为1.62-1.65 g/cm3,气孔率为6%-8%。其抗弯强度为55.63 MPa,断裂韧性为10.56MPa·m1/2,应变高达11.27%,说明是非脆性材料。其表面电阻率为185.2μΩ·m,体电阻率为1112μΩ·m。其电磁屏蔽效率为35 dB,透射功率与总入射功率之比约为0.0003。屏蔽效率比单层CNT纸/SiC纳米复合材料有所提高,内部损耗加强,但主要屏蔽机理仍为表面反射。
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