碳复合材料和制造方法技术

一种用于制造碳复合材料的方法包括：在约350℃至约1200℃的温度和约500psi至约30,000psi的压力下，压缩包括碳和粘结剂的复合材料以形成碳复合材料；其中粘结剂包括非金属、金属、金属的合金、或其组合；其中非金属选自由以下组成的组：SiO2、Si、B、B2O3、及其组合；以及金属选自由以下组成的组：铝、铜、钛、镍、钨、铬、铁、锰、锆、铪、钒、铌、钼、锡、铋、锑、铅、镉、硒、及其组合。

Carbon composite material and manufacturing method

A method for the manufacture of carbon composites: at about 350 DEG C to about 1200 DEG C temperature of about 500PSI to about 30000psi under the pressure of compressed composite materials including carbon and binder to form a carbon composite material; wherein the binder including non metal, metal, metal alloy, or a combination thereof; the non metal selected the group consisting of: SiO2, Si, B, B2O3, and combinations thereof; metal selected from the group consisting of the following: aluminum, copper, titanium, nickel, tungsten, chromium, iron, manganese, zirconium, hafnium, niobium, vanadium, molybdenum, tin, bismuth, antimony, lead, cadmium, selenium, and combination.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2014年9月29日提交的美国申请No.14/499397的权益，其以引用的方式全部并入本文。
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
在一个实施例中，一种碳复合材料及其制造方法克服了在本领域中的上述缺陷和其它缺陷。在一个实施例中，一种用于制造碳复合材料的方法包括：在约350℃至约1200℃的温度和约500psi至约30,000psi的压力下，压缩包括碳和粘结剂的复合材料以形成碳复合材料；其中粘结剂包括非金属、金属、金属的合金、或其组合；其中非金属选自由以下组成的组：SiO2、Si、B、B2O3、及其组合；以及金属选自由以下组成的组：铝、铜、钛、镍、钨、铬、铁、锰、锆、铪、钒、铌、钼、锡、铋、锑、铅、镉、硒、及其组合。在另一实施例中，一种用于制造碳复合材料的方法包括：通过对包括碳和粘结剂的复合材料进行加压形成坯块；以及对坯块进行加热以形成碳复合材料；其中粘结剂包括非金属、金属、金属的合金、或其组合；其中非金属选自由以下组成的组：SiO2、Si、B、B2O3、及其组合；以及金属选自由以下组成的组：铝、铜、钛、镍、钨、铬、铁、锰、锆、铪、钒、铌、钼、锡、铋、锑、铅、镉、硒、及其组合。还公开了一种用于制造包括碳复合材料的片材的方法。该方法包括热轧包括粘结剂和碳的复合材料；其中粘结剂包括非金属、金属、金属的合金、或其组合；其中非金属选自由以下组成的组：SiO2、Si、B、B2O3、及其组合；金属选自由以下组成的组：铝、铜、钛、镍、钨、铬、铁、锰、锆、铪、钒、铌、钼、锡、铋、锑、铅、镉、硒、及其组合；以及碳选自由以下组成的组：膨胀石墨、可膨胀石墨、天然石墨、合成石墨、及其组合。一种用于包括制造碳复合材料的粒料的方法包括：挤出包括粘结剂和碳的复合材料；其中粘结剂包括非金属、金属、金属的合金、或其组合；其中非金属选自由以下组成的组：SiO2、Si、B、B2O3、及其组合；金属选自由以下组成的组：铝、铜、钛、镍、钨、铬、铁、锰、锆、铪、钒、铌、钼、锡、铋、锑、铅、镉、硒、及其组合；以及碳选自由以下组成的组：膨胀石墨、可膨胀石墨、天然石墨、合成石墨、及其组合。碳复合材料包括：具有在碳微结构中的间隙空间的碳微结构；以及粘结剂，该粘结剂设置在间隙空间中的至少某些间隙空间中；其中碳微结构包括在碳微结构内的未填充空隙。在另一实施例中，碳复合材料包括：至少两种碳微结构；以及设置在至少两种碳微结构之间的粘结相；其中粘结相包括粘结剂，该粘结剂包括非金属、金属、金属的合金、或其组合；其中非金属选自由以下组成的组：SiO2、Si、B、B2O3、及其组合；以及金属选自由以下组成的组：铝、铜、钛、镍、钨、铬、铁、锰、锆、铪、钒、铌、钼、锡、铋、锑、铅、镉、硒、及其组合。复合材料可以是条、块、片、管形、圆柱形坯料、环形体、粉末或者粒料的形式。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/或者软化，从而使得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。在碳微结构中的间隙空间具有约0.1微米至约100微米的大小，特别是约1微米至20微米，然而在碳微结构内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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造碳复合材料的方法，所述方法包括：在约350℃至约1200℃的温度和约500psi至约30,000psi的压力下，压缩包括碳和粘结剂的复合材料以形成所述碳复合材料；其中所述粘结剂包括以下的一种或者多种：SiO2、Si、B、B2O3、金属、或者所述金属的合金；其中所述金属是以下的一种或者多种：铝、铜、钛、镍、钨、铬、铁、锰、锆、铪、钒、铌、钼、锡、铋、锑、铅、镉、或者硒。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.29 US 14/4993971.一种用于制造碳复合材料的方法，所述方法包括：在约350℃至约1200℃的温度和约500psi至约30,000psi的压力下，压缩包括碳和粘结剂的复合材料以形成所述碳复合材料；其中所述粘结剂包括以下的一种或者多种：SiO2、Si、B、B2O3、金属、或者所述金属的合金；其中所述金属是以下的一种或者多种：铝、铜、钛、镍、钨、铬、铁、锰、锆、铪、钒、铌、钼、锡、铋、锑、铅、镉、或者硒。2.一种用于制造碳复合材料的方法，所述方法包括：通过对包括碳和粘结剂的复合材料进行加压形成坯块；以及以及对所述坯块进行加热以形成所述碳复合材料；其中所述粘结剂包括以下的一种或者多种：SiO2、Si、B、B2O3、金属、或者所述金属的合金；其中所述金属是以下的一种或者多种：铝、铜、钛、镍、钨、铬、铁、锰、锆、铪、钒、铌、钼、锡、铋、锑、铅、镉、或者硒。3.根据权利要求2所述的方法，其中形成所述坯块包括在约500psi至约10ksi的压力和约20℃至约200℃的温度下对所述复合材料进行加压，从而使得所述坯块的体积相对于所述复合材料的体积为约40％至约80％；以及其中在约350℃至约1200℃的温度和约500psi至约30,000psi的压力下进行所述加热，从而使得所述碳复合材料的体积相对于所述坯块的体积为约10％至约70％。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述压缩或者所述加热包括：在低于预定最大压力的第一压力下并且在低于预定最大温度的第一温度下对所述复合材料或者所述坯块进行加压；以及在所述预定最大温度和所述预定最大压力下对所述复合材料或者所述坯块进行加压。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述预定最大温度为所述粘结剂的熔点的约±20℃至约±100℃。6.根据权利要求2所述的方法，其中形成所述坯块在室温和约500psi至约30,000psi的压力下进行；以及其中所述加热在大气压下进行。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述复合材料或者所述坯块通过以下的一种或者多种进...

【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