碳复合材料制造技术

碳复合材料包含在碳微结构之间具有间隙空间的碳微结构；以及设置在至少一些间隙空间中的粘合剂；其中碳微结构包含碳微结构内的未填充空隙。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】碳复合材料相关申请的交叉引用本申请要求于2014年9月17日提交的美国申请号14/488851的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术介绍
石墨为碳的同素异形体并且具有层状平面结构。在每层中，碳原子通过共价键布置成六边形排列或者网状。然而，不同碳层仅仅通过弱的范德华力保持在一起。由于石墨导热和导电优异、质轻、摩擦系数低并且耐热和耐蚀性高，其已经广泛用于各种应用，包括电子设备、核能、热金属加工、涂料、航天等。然而，石墨没有弹性并且具有低强度，这可能限制其进一步应用。因此，本行业一直接受具有改进的弹性和机械强度的新石墨材料。如果这类材料还具有改进的高温耐蚀性，那将是更有利的。
技术实现思路
现有技术中的上述和其他缺陷在一个实施方案中通过包含在碳微结构之间具有间隙空间的碳微结构和设置在至少一些所述间隙空间中的粘结剂的碳复合材料克服；其中所述碳微结构包含碳微结构内的未填充空隙。在另一个实施方案中，碳复合材料包含：至少两个碳微结构；以及设置在所述至少两个碳微结构之间的粘结相；其中所述粘结相包括粘结剂，其包含SiO2、Si、B、B2O3、金属、金属的合金或包含前述中的至少一种的组合；其中金属是铝、铜、钛、镍、钨、铬、铁、锰、锆、铪、钒、铌、钼、锡、铋、锑、铅、镉和硒中的至少一种。所述复合材料可以是条、块、片、管形、圆柱形坯料、环形体、粉末或粒料的形式。附图说明以下说明不应以任何方式视为限制性的。参照所附附图，相同的元件以相同的方式编号。图1是在室温和大气压下共混的包含膨胀石墨和微米大小或者纳米大小的粘结剂的复合材料的扫描电子显微镜(“SEM”)图像；图2是根据本公开的一个实施例的在高压和高温条件下由膨胀石墨和微米大小或者纳米大小的粘结剂形成的碳复合材料的SEM图像；图3是根据本公开的另一实施例的碳微结构的SEM图像；图4是根据本公开的一个实施例的碳复合材料的示意性图示；图5示出了以下的应力-应变曲线：(A)天然石墨；(B)膨胀石墨；(C)膨胀石墨和微米大小或者纳米大小的粘结剂的混合物，其中在室温和高压下压制样品；(D)根据本公开的一个实施例的在高温和低压下由膨胀石墨和微米大小或者纳米大小的粘结剂压制的碳复合材料(还称为“软复合材料”)；以及(E)根据本公开的另一实施例的在高压和高温条件下由膨胀石墨和微米大小和纳米大小的粘结剂形成的碳复合材料(还称为“硬复合材料”)；图6示出了碳复合材料在不同负载情况下的环路试验结果；图7示出了碳复合材料的分别在室温和500°F下试验的滞后结果；图8是碳复合材料在500℃下暴露于空气25小时之前和在500℃下暴露于空气25小时之后的比较；图9A是碳复合材料在热冲击之后的照片；图9B图示了关于热冲击的情况；图10是碳复合材料样品(A)在200°F下暴露于自来水20小时之前和(B)在200°F下暴露于自来水20小时之后，或者(C)在200°F下暴露于自来水3天之后的比较；图11是碳复合材料样品(A)在200°F下暴露于带有抑制剂的15％HCl溶液20小时之前和(B)在200°F下暴露于带有抑制剂的15％HCl溶液20小时之后，或者(C)在200°F下暴露于15％HCl溶液3天之后的比较；以及图12示出了碳复合材料在600°F下的密封力松弛试验结果。具体实施方式本专利技术人已发现，与单独的石墨、由相同石墨但是不同粘结剂所形成的复合材料、或者在大气压或者高压下在室温下共混的相同石墨和相同粘结剂的混合物相比，在高温下由石墨和微米大小或者纳米大小的粘结剂形成的碳复合材料具有改进的均衡性能。新的碳复合材料具有优异的弹性。另外，碳复合材料在高温下具有优异的机械性能、耐热性和耐化学性。在另一个有利特征中，复合材料保持石墨的多个出色性能，诸如导热、导电、润滑性等。不希望受限于理论，据信在机械强度方面的改进通过设置在碳微结构之间的粘结相来实现。在碳微结构之间没有力或者仅仅弱范德华力存在，因此石墨块材料具有弱机械强度。在高温下，微米大小和纳米大小的粘结剂液化以及在碳微结构中均匀分散。当冷却时，粘结剂固化并且形成粘结相通过机械互锁使碳纳米结构粘结在一起。进一步不希望受限于理论，对于具有改进的机械强度和改进的弹性两者的复合材料，据信碳微结构自身是在堆叠层之间具有空间的层状结构。粘结剂仅仅将微结构选择性地锁在它们的边界处而不穿透微结构。因此，在微结构内的无界层提供弹性，并且设置在碳微结构之间的粘结相提供机械强度。碳微结构是在将石墨压缩为高凝状态之后所形成的石墨的在显微镜下的结构。它们包括沿压缩方向堆叠在一起的石墨基面。如此处所使用的，碳基面指基本上平坦、平行的碳原子片或者层，其中每片或者每层具有单一原子厚度。石墨基面还称为碳层。碳微结构通常是平坦并且薄的。它们可以具有不同的形状，并且还可以称为微薄片、微盘等。在一个实施例中，碳微结构基本上彼此平行。在碳复合材料中存在两类空隙-在碳微结构中的空隙或者间隙空间和在每个单独的碳微结构内的空隙。在碳微结构之间的间隙空间具有约0.1微米至约100微米的大小，特别是约1微米至20微米，然而在碳微结构之间的空隙更小得多并且通常在约20纳米至约1微米之间，特别是约200纳米至约1微米。空隙或者间隙空间的形状不特别限制。如此处所使用的，空隙或者间隙空间的大小指空隙或者间隙空间的最大尺寸，并且可以通过高分辨率电子或者原子力显微镜技术来确定。用微米或者纳米大小的粘结剂填充在碳微结构之间的间隙空间。例如，粘结剂可以占据在碳微结构之间的间隙空间的约10％至约90％。然而，粘结剂不穿透单独的碳微结构，从而在碳微结构内的空隙未被填充，即，没有被任何粘结剂填充。因此，在碳微结构内的碳层通过粘结剂没有锁在一起。通过该机制，碳复合材料，具体地，膨胀碳复合材料的柔性可以被保留。碳微结构具有约1微米至约200微米，约1微米至约150微米，约1微米至约100微米，约1微米至约50微米，或者约10微米至约20微米的厚度。碳微结构的直径或者最大尺寸为约5微米至约500微米或者约10微米至约500微米。碳微结构的纵摆比可以为约10至约500，约20至约400，或者约25至约350。在一个实施例中，在碳微结构中的碳层之间的距离为约0.3纳米至约1微米。碳微结构可以具有约0.5g/cm3至约3g/cm3，或者约0.1g/cm3至约2g/cm3的密度。如此处所使用的，石墨包括天然石墨、合成石墨、可膨胀石墨、膨胀石墨、或者包括前述中至少一种的组合。天然石墨是天然形成的石墨。其可以分类为“鳞片”石墨、“脉”石墨和“无定形”石墨。合成石墨是由碳材料制成的制成品。热解石墨是合成石墨的一种形式。可膨胀石墨指具有插入在天然石墨或者合成石墨的各层之间的插层材料的石墨。已经使用多种化学品以对石墨材料进行插层。这些包括酸、氧化剂、卤化物等。示例性插层材料包括硫酸、硝酸、铬酸、硼酸、SO3或者卤化物诸如FeCl3、ZnCl2和SbCl5。当加热时，插层材料从液态或者固态转化为气相。气体形成生成压力，压力将相邻的碳层推开，生成膨胀石墨。膨胀石墨颗粒在外观上呈蠕虫状，并且因此通常被称为蠕虫。有利地，碳复合材料包括膨胀石墨微结构。与其它形式的石墨相比，膨胀石墨具有高柔性和压缩回弹，以及更大的各向异性。因此，除了理想的机械强度之外，在高压和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳复合材料，其包含：碳微结构(1)，其在所述碳微结构(1)之间具有间隙空间(5)；和粘结剂，其设置在至少一些所述间隙空间(5)；其中所述碳微结构(1)包含所述碳微结构(1)内的未填充空隙(6)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.17 US 14/4888511.一种碳复合材料，其包含：碳微结构(1)，其在所述碳微结构(1)之间具有间隙空间(5)；和粘结剂，其设置在至少一些所述间隙空间(5)；其中所述碳微结构(1)包含所述碳微结构(1)内的未填充空隙(6)。2.根据权利要求1所述的碳复合材料，其中所述间隙空间(5)具有约0.1微米至约100微米的大小，并且任选地，所述粘结剂占所述碳微结构(1)之间的所述间隙空间(5)的约10％至约90％。3.根据权利要求1或2所述的碳复合材料，其中所述粘结剂包含以下的一种或多种：SiO2、Si、B、B2O3、金属、所述金属的合金；其中所述金属为以下的一种或多种：铝、铜、钛、镍、钨、铬、铁、锰、锆、铪、钒、铌、钼、锡、铋、锑、铅、镉、或硒。4.一种碳复合材料，其包含：至少两个碳微结构(1)；和粘结相，其设置在所述至少两个碳微结构(1)之间；其中所述粘结相(2)包括包含以下一种或多种的粘结剂：SiO2、Si、B、B2O3、金属、或所述金属的合金；其中所述金属为以下的一种或多种：铝、铜、钛、镍、钨、铬、铁、锰、锆、铪、钒、铌、钼、锡、铋、锑、铅、镉、或硒。5.根据权利要求4所述的碳复合材料，其中所述粘结相(2)包含粘结剂层(3)和将所述至少两个碳微结构(1)中的一个粘结到所述粘结剂层(3)的界面层(4)，任选地，所述界面层(4)包含以下的一种或多种：C-金属键、C-B键、C-Si键、C-O-Si键、C-O-金属键、或金属碳溶液。6.根据权利要求1至5中任一项所述的碳复合材料，其中至少以下之一应用：所述碳微结构(1)具有约1至约200微米的厚度；所述碳微结构(1)具有约10至约500微米的直径；或所述碳微结构(1)内的所述未填充空隙(6)具有约20...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐志跃，赵磊，
申请(专利权)人：贝克休斯公司，
类型：发明
国别省市：美国,US