本發(fā)明涉及復(fù)合材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種短切碳纖維均勻分散增強(qiáng)氧化鋁復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

α-Al₂O₃基先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷材料具有高硬度、高耐磨、耐腐蝕、耐高溫等突出優(yōu)點(diǎn)，可用于航空航天、國防軍工等領(lǐng)域。但其低韌性限制了它的發(fā)展，通過纖維增韌可使力學(xué)性能得以改善。碳纖維(Carbon fiber，Cf)的模量和軸向強(qiáng)度高，耐疲勞性好，無蠕變現(xiàn)象，在α-Al₂O₃陶瓷中加入分散均勻的短Cf，通過纖維拔出橋聯(lián)等機(jī)制能阻礙裂紋擴(kuò)展，使復(fù)相陶瓷的斷裂韌性提高。然而，如何實(shí)現(xiàn)Cf在基體中的均勻分布仍是纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的重大難題。機(jī)械球磨的方法可以將碳纖維和復(fù)合粉體混合均勻，但球磨過程中會損傷碳纖維結(jié)構(gòu)，制備出的復(fù)合材料力學(xué)性能大打折扣；采用手工分散可以避免碳纖維的機(jī)械損傷，但效率十分低下，單混合過程就需要數(shù)天時(shí)間甚至數(shù)周時(shí)間，因此很不實(shí)用；將碳纖維及復(fù)合粉體分散在一定濃度的PVA溶液之中可以提高混合效率，但在隨后的熱解過程中會引入游離C殘留，降低材料的力學(xué)性能。迄今為止，纖維增強(qiáng)體在陶瓷基復(fù)合材料基體中的分散問題仍是困擾這一類材料研發(fā)的巨大障礙。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種短切碳纖維均勻分散增強(qiáng)氧化鋁復(fù)合材料的制備方法，實(shí)現(xiàn)了碳纖維在α-Al₂O₃基體中的均勻分散，不僅對于纖維增強(qiáng)氧化鋁基復(fù)合材料的開發(fā)具有顯然具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，也為其他纖維增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料提供有益的借鑒，推動纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料快速發(fā)展。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種短切碳纖維均勻分散增強(qiáng)氧化鋁復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

S1、將TiO₂與CuO的按重量比4∶1進(jìn)行球磨混合，球料比15∶1，轉(zhuǎn)速為250r/min，球磨20h后，取出備用；

S2、用燒杯量取200ml蒸餾水水浴加熱至90℃，加入15g異丙醇鋁，90℃水解4h后，加入1mlHNO₃，90℃保溫10h，得AlOOH溶膠；

S3、將所得的AlOOH溶膠加熱至凝膠后，按重量百分比1∶50加入TiO₂-CuO燒結(jié)助劑，然后按Cf占Cf/α-Al₂O₃復(fù)合材料體積百分比5％-20％分散于其中，經(jīng)成型、干燥、煅燒和熱壓燒結(jié)制備Cf/α-Al₂O₃復(fù)合材料。

優(yōu)選地，熱壓燒結(jié)的工藝條件為1500℃，20MPa，保溫1h熱壓燒結(jié)。

本發(fā)明具有以下有益效果：

采用溶膠-凝膠法制備氧化鋁前驅(qū)體，并將Cf分散在AlOOH凝膠中，實(shí)現(xiàn)了Cf均勻分散的Cf/α-Al₂O₃復(fù)合材料，取得極佳的強(qiáng)韌化效果，不僅對于纖維增強(qiáng)氧化鋁基復(fù)合材料的開發(fā)具有顯然具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，也為其他纖維增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料提供有益的借鑒，推動纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料快速發(fā)展。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中碳纖維含量為10％的Cf/α-Al₂O₃復(fù)合材料的經(jīng)1500℃，20MPa，保溫1h熱壓燒結(jié)后的XRD譜圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中Cf/α-Al₂O₃復(fù)合材料的背散射SEM形貌；

圖中：(a)表面；(b)斷面。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中添加燒結(jié)助劑Cf/α-Al₂O₃復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中含燒結(jié)助劑Cf/α-Al₂O₃復(fù)合材料三點(diǎn)彎曲載荷-位移曲線；

圖中：(a)Cf含量5％，(b)Cf含量15％

圖5為Cf/α-Al₂O₃復(fù)合材料三點(diǎn)彎曲試樣與受壓面垂直的截面裂紋；

圖中：(a)Cf含量10％(b)Cf含量20％。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中Cf/α-Al₂O₃復(fù)合材料三點(diǎn)彎曲試樣斷口形貌；

圖中：(a)5％(b)10％(c)15％(d)20％。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實(shí)施例

S1、采用南京大學(xué)生產(chǎn)的SP-3型行星式球磨機(jī)將TiO₂與CuO的按重量比4∶1進(jìn)行球磨混合，球料比15∶1，轉(zhuǎn)速為250r/min，球磨20h后，取出備用；

S2、用燒杯量取200ml蒸餾水水浴加熱至90℃，加入15g異丙醇鋁，90℃水解4h后，加入1mlHNO₃，90℃保溫10h，得AlOOH溶膠；

S3、將適量所得的AlOOH溶膠加熱至凝膠后，按重量百分比1∶50加入TiO₂-CuO燒結(jié)助劑，然后按Cf占Cf/α-Al₂O₃復(fù)合材料體積百分比5％，1O％，15％和20％分散于其中，經(jīng)成型、干燥、煅燒、和熱壓燒結(jié)制備Cf/α-Al₂O₃復(fù)合材料；

圖1為碳纖維含量為10％時(shí)，在1500℃，20MPa條件下熱壓燒結(jié)制備的碳纖維增強(qiáng)氧化鋁復(fù)合材料的XRD譜圖，燒結(jié)后的復(fù)合材料中只有α-Al₂O₃。由于復(fù)合材料中所加的燒結(jié)助劑的量很少，因此在XRD譜圖中并未檢測出TiO₂-CuO燒結(jié)助劑。

圖2(a)為碳纖維體積百分比為10％的Cf/α-Al₂O₃復(fù)合材料表面的背散射SEM形貌，圖2(b)為其斷面的背散射SEM形貌。從圖2可以看出，碳纖維在氧化鋁基體中分散均勻，圖2(b)出現(xiàn)的白點(diǎn)即燒結(jié)助劑在基體中的分散情況，可見，燒結(jié)助劑分散也比較均勻，其粒徑約為亞微米至數(shù)微米之間。

不同Cf含量的復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度如圖3所示，可以看出，隨著碳纖維含量的增加，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度先增加后減小，其中Cf含量為5％和10％的復(fù)合材料平均強(qiáng)度分別為316.5Mpa和178.1Mpa，明顯高于碳纖維含量為O時(shí)的氧化鋁陶瓷材料平均強(qiáng)度(167MPa)；當(dāng)碳纖維含量為15％和20％時(shí)，復(fù)合材料的平均強(qiáng)度分別為90.4Mpa和107Mpa，強(qiáng)度均低于不含碳纖維試樣。可見，碳纖維含量為5％時(shí)復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度最大，最大強(qiáng)值高達(dá)326.15Mpa，比相同條件下制備的不含碳纖維的試樣平均強(qiáng)度提高了95.3％。

圖4(a)、(b)分別為Cf含量分別為5％和15％的復(fù)合材料材料三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)時(shí)的載荷-位移曲線，Cf含量為10％的復(fù)合材料載荷位移曲線與5％的相似，脆性斷裂特征明顯。而15％和20％的復(fù)合材料，在載荷-位移曲線的非線性斷出現(xiàn)棘齒狀波動，隨著載荷的增加發(fā)出輕微的響聲，具有明顯非線性特征的載荷-位移曲線，表明材料在斷裂時(shí)吸收了斷裂功，雖然Cf含量的增加使材料的強(qiáng)度有所下降，但其斷裂特征有助于復(fù)合材料的韌性提高。

圖5為Cf含量分別10％和20％的Cf/α-Al₂O₃復(fù)合材料試樣中與壓力方向平行的截面上裂紋SEM形貌。由于纖維的橋聯(lián)作用，試樣斷裂后宏觀上仍為一整體，而纖維含量為5％及不含纖維的試樣受力后則斷為兩截。斷口形貌在一定程度上反映了復(fù)合材料斷裂機(jī)制和材料塑韌性的高低，從宏觀斷口來看，有明顯的裂紋偏轉(zhuǎn)，裂紋偏轉(zhuǎn)也一種增韌機(jī)制，含燒結(jié)助劑的復(fù)合材料，整體燒結(jié)比較致密，從插圖可以看出，裂紋前端有纖維的橋接，纖維也可能從基體中拔出或者纖維在基體的界面結(jié)合中脫粘，從而使復(fù)合材料在斷裂時(shí)裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這樣就使裂紋的擴(kuò)展途徑延長，在氧化鋁基復(fù)合材料中形成了新的能量吸收機(jī)制，從而使材料的韌性提高。

圖6為Cf含量分別5％，10％，15％和20％的Cf/α-Al₂O₃復(fù)合材料斷口SEM形貌觀察三點(diǎn)彎曲斷口形貌?？梢钥吹教祭w維在基體中的分布非常均勻，斷口形貌顯示，既有沿晶斷裂也有明顯的纖維撥出。由于三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中材料的不同部位所受的載荷不一樣，既有剪切載荷也有拉伸載荷，復(fù)合材料各部分所受的載荷狀態(tài)不同，斷裂形式也不同。本實(shí)驗(yàn)的Cf/α-Al₂O₃基復(fù)合材料是脆性材料，(a)和(b)中表現(xiàn)出典型的脆性沿晶斷口，在受到應(yīng)力時(shí)不產(chǎn)生塑形變形，但短碳纖維仍有“拔出”現(xiàn)象。(c)和(d)中纖維有拔出后留下的纖維露頭和拔出后凹坑比較明顯，表明纖維被拉斷后，拔出和脫粘是復(fù)合材料主要的增韌途徑，隨碳纖維含量增加纖維斷頭和拔出也增多。此外，Cf含量為15％的試樣與其他試樣相比，其斷口中存在較多的微裂紋，這也是其平均強(qiáng)度低于其他試樣的重要原因。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。