一种高强轻质碳碳复合隔热材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳碳复合隔热材料的制备方法。本发明专利技术的一种碳碳复合隔热材料由碳纤维毡和酚醛树脂组成。其创新点在于强氧化液体处理后的碳纤维毡，可以显著提高碳纤维与酚醛树脂的界面结合力，提高隔热材料的力学性能，同时保持较低的体积密度。本发明专利技术所制备的一种碳碳复合隔热材料，生产工艺简单，体积密度为0.16~0.18 g/cm3。在体积密度为0.160g/cm3时，力学性能可以达到抗压强度0.73MPa(面方向)、0.4MPa（两侧方向），弯曲强度为3.52MPa(面方向)、1.86MPa（两侧方向）。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于碳碳复合隔热材料
，具体地说涉及了一种高强轻质碳碳复合隔热材料的制备方法，是直接用在真空及惰性气体保护的高温炉内，能在1000—2500℃的温度下稳定使用，尤其是多晶硅铸锭炉及单晶硅直拉炉热场的必不可少的隔热材料。也涉及了生产效率高成本低的一种制作方法。
技术介绍
碳碳复合隔热材料具有耐高温、刚性好、加工性好等特点，被广泛应用于航空航天、通讯光纤、新能源、高性能陶瓷制造、晶体生长领域，而随着新能源光伏产业的发展当前多晶铸锭炉及单晶炉热场的隔热材料，又广受关注成为一个热点。中国专利公开号CN101445376A中所说高温炉用碳碳复合材料圆筒叙述了一种圆筒的制备方法使用碳纤维布经过浸胶机浸渍酚醛树脂后缠绕、加压固化、碳化处理再补增密、再高温处理得到碳/碳复合材料圆筒，虽然这种材料工艺一致性好抗拉强度高，但是这种材料密度为0.25-0.50g/cm3,做保温材料密度偏大保温效果不佳，只适合做炉子结构材料。中国专利申请号200610136811.X关于硅晶体生长炉用高纯固化碳毡制造方法，其工艺是：选择金属杂质含量很低的软毡作坯体材料，高温预处理成石墨毡体，用石墨粘体制作坯体均匀渗入固化剂进行固化定型，碳化处理坯体，再对坯体进行化学气相预沉积，对表面切削加工，再高温处理去除金属杂质然后表面涂层，制得固化碳毡，金属杂质含量在300ppm以内。这种工艺繁杂，对软毡要在高温下处理后才能用，增加了成本，操作复杂，价格昂贵，难以推广。生产时间长产能比较低。而且沉积厚度无法按需控制导致密度偏大。因此制备密度小，隔热性能好，强度高且制备工艺简单的碳碳复合材料成为亟待解决的问题。专利技术专利CN201010187932，提供了一种耐高温碳纤维隔热毡的制备方法，具体是采用针刺成毡的方法制备了具有X-Y-Z三维结构碳碳复合材料软毡，虽然具有非常好的隔热效果，但是几乎没有强度，限制了其在高温领域的应用。但是软毡的制备为碳碳碳复合隔热材料的制备提供了技术基础，但是也存在着一定的技术难题。在实际制备碳碳复合材料的过程中，由于碳纤维软毡已经碳化，在浸渍酚醛树脂的环节中出现了纤维和树脂结合性差的问题，直接影响到最终产品的强度。这就需要对纤维进行改性。电化学氧化法可较大程度提高碳纤维的表面活性，但工艺过程较为复杂；等离子体处理的优点在于反应易控制纤维表面，对纤维本体损伤不大，而且对表面极端惰性的高聚物有明显的改性效果。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种密度小，隔热性能好，强度高且制备工艺简单的碳碳复合隔热材料。即提供一种高强轻质碳碳复合隔热材料。本专利技术的另一目的在于提供一种生产效率高，操作简单，成本相对低廉的高强轻质碳碳复合隔热材料的生产方法。本专利技术以一种耐高温碳纤维隔热毡作为坯体材料，见专利技术专利CN201010187932。其纤维配向各向异性X-Y平面与Z向纤维份数比为50~250：1。可溶性热固性酚醛树脂作低密度坯体材料浸渍剂，进行一次性压制固化，然后在500℃液相沉碳后形成表层致密，内部低密度的密度梯度，最终在2400℃高温处理后制成金属杂质含量在200ppm以内的碳/碳复合密度梯度隔热成型材料。本专利技术所采用的一种耐高温碳纤维隔热毡坯体材料的具体制备方法见专利技术专利CN201010187932，这里不再赘述。本专利技术通过低温等离子体刻蚀改性提高碳纤维与酚醛树脂的粘结强度，从而进一步改善碳化后和石墨化后的碳碳复合材料的强度。一方面，等离子体对纤维表面进行刻蚀，增强了纤维表面的粗糙度，增大纤维与树脂的有效结合面积；另一方面，与纤维表面的基团氧化，生成极性基团，可增大纤维与环氧的结合键作用。本专利技术的冷等离子体处理条件为：（a）气氛：氧气；（b）处理时间：5min；（c）功率：100w。本专利技术的一种高强轻质碳碳复合隔热材料的制备方法具体过程为：（1）裁剪：将厚度为8－12毫米，门幅为2米，克重为350－700克/米2，拉伸强度为15－45牛/平方厘米，长度20米的一卷纤维配向各向异性（X-Y平面与Z向纤维份数比为50~250：1）耐高温碳纤维隔热毡裁剪成10片2000X2000X12mm的正方体作坯体材料。（2）冷等离子体表面处理：将（1）中的坯体材料放入等离子体设备中，关山设备门后进行等离子体处理。处理条件为：（a）气氛：氧气；（b）处理时间：5min；（c）功率：100w。处理完后取出待用。（3）配胶：将固含量60%的PL-4246(群荣化工)型可溶性热固性酚醛树脂用99%分析纯的酒精配成固含量30~45%的液体浸渍剂，配好后倒入搅拌桶中进行均匀搅拌，以备浸渍之用。（4）浸渍：把（2）中裁剪处理好的坯体材料用（3）中配好的浸渍剂进行浸渍，坯体材料与浸渍剂重量之比为1：1.15~1.40。浸渍在常温下把通过比例计算的液体浸渍剂喷浸在坯体材料即可，喷浸一定要均匀。（5）干燥：（4）中浸渍好的纤维毡放在真空设备中通过负压的方式，把乙醇吸收后回收，控制乙醇含量在5%以下。干燥后的样品挂于铁丝网架上待用，储存温度低于30℃。（6）装模压制固化：在模具中贴好离型纸，再把（5）中浸渍好的坯体材料整齐的装入模具中，后把模具放到30T型压机中进行一次性成型压制。压力为0.625Kg/cm2。带压固化，固化温度室温到175℃，固化时间3~6小时。推荐以每小时升温50℃从常温升到175℃，然后冷却到50℃以下，从压机中取出。（7）液相沉碳：步骤（6）固化好的中间产品装入高温烧结炉，每块中间产品利用高密度碳碳材料进行限位控制，在10—8000Pa压力下，以每小时升温75℃到400℃，然后每小时升温25℃到500℃，500℃保温2小时。（8）高温烧结：在10—8000Pa压力下，对500℃液相沉碳后的产品，每小时25~100℃的升温速率达到2400℃，在高温下进行净化处理，制成金属杂质含量在200ppm以内的碳碳复合隔热材料；所述的升温速率建议：从500℃每小时升温25℃到600℃，每小时升温30℃到750℃，在750℃恒温2小时，然后每小时升温40℃到950℃，每小时升温50℃到1200℃，每小时升温55℃到1500℃，每小时升温60℃到1800℃，每小时升温70℃到2000℃，每小时升温75℃到2200℃，每小时升温80℃到2400℃，2400℃保温1小时后停止升温，自然降温到室温后出炉。上述步骤（2）中的冷等离子体表面处理的处理时间一定要控制好，处理时间过短，纤维表面处理效果不好，起不到增强的作用；处理时间过长，有可能损害材料的性能，另外能量消耗也会增加。上述步骤（5）中30T压机为改制的多层热压机。压制工艺为一次性压制成所需的厚度（如50mm厚碳/碳复合隔热材料是一次性压制成53mm后烧结收缩而成）。一次可以压制3块以上的2000*2000*53mm的固化产品。上述步骤（7）中的中间产品一定要用高密度碳碳限位块进行控制，控制产品的均匀性，同时有利于材料的受热均匀性。上述步骤（8）的高温处理可对酚醛树脂进行碳化及石墨化。随着温度的升高酚醛逐步被碳化，通过碳纤维表面的粗糙结构，碳化后的酚醛碳材料可以很好的和碳纤维进行耦合，最终在2400℃下石墨化而制成一种高强轻质碳碳复合隔热材料。本专利技术的碳碳复合隔热材料的特点如下：（1）密本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强轻质碳碳复合隔热材料，其特征是由热固性酚醛树脂和由低温等离子体改性的聚丙烯腈基碳纤维隔热毡复合而成；所述的聚丙烯腈基碳纤维隔热毡是X‑Y平面与Z向纤维份数比为50 ：1—250：1的耐高温碳纤维隔热毡。

【技术特征摘要】
1.一种高强轻质碳碳复合隔热材料，其特征是由热固性酚醛树脂和由低温等离子体改性的聚丙烯腈基碳纤维隔热毡复合而成；所述的聚丙烯腈基碳纤维隔热毡是X-Y平面与Z向纤维份数比为50 ：1—250：1的耐高温碳纤维隔热毡。2.如权利要求1所述的一种高强轻质碳碳复合隔热材料，其特征所述的耐高温碳纤维隔热毡的基材是以短切长度50-150毫米的聚丙烯腈基碳纤维制备成为厚度为8-12毫米，克重为350-700克/米2，拉伸强度15-45牛/2厘米的聚丙烯腈基碳纤维隔热毡。3.权利要求1所述的一种高强轻质碳碳复合隔热材料，其特征所述的耐高温碳纤维隔热毡需要通过低温等离子体刻蚀改性以提高碳纤维与酚醛树脂的粘结强度，从而进一步改善碳化后和石墨化后的碳碳复合材料的强度。4.权利要求1所述的一种高强轻质碳碳复合隔热材料，其特征所述的耐高温碳纤维隔热毡的冷等离子体处理条件为：（a）气氛：氧气；（b）处理时间：5min；（c）功率：100w。5.一种高强轻质碳碳复合隔热材料的制备方法,其碳碳复合隔热材料的制备方法如下所述：（1）裁剪：将厚度为8－12毫米，门幅为2米，克重为350－700克/米2，拉伸强度为15－45牛/平方厘米，长度20米的一卷纤维配向各向异性（X-Y平面与Z向纤维份数比为50~250：1）耐高温碳纤维隔热毡裁剪成10片2000X2000X12mm的正方体作坯体材料；（2）冷等离子体表面处理：将（1）中的坯体材料放入等离子体设备中，关山设备门后进行等离子体处理；处理条件为：（a）气氛：氧气；（b）处理时间：5min；（c）功率：100w；7. 处理完后取出待用；（3）配胶：将固含量60%的PL-4246(群荣化工)型可溶性热固性酚醛树脂用99%分析纯的酒精配成固含量30~45%的液体浸渍剂，配好后倒入搅拌桶中进行均匀搅拌，以备浸渍之用；（4）浸渍：把（2）中裁剪处理好的坯体材料用（3）中配好的浸渍剂进行浸渍，坯体材料与浸渍剂重量之比为1：1.15~1.40；浸渍在常温下把通过比例计算的液体浸渍剂喷浸在坯体材料即可，喷浸一定要均匀；（5）干燥：（4）中浸渍好的纤维毡放在真空设备中通过负压的方式，把乙醇吸收后回收，控制乙醇含量在5%以下；干燥后的样品挂于铁丝网架上待用，储存温度低于30℃；（6）装模压制固化：在模具中贴好离型纸，再把（5）中浸渍好的坯体材料整齐的装入模具中，后把模具放到3...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐波，吴新锋，彭熙瑜，
申请(专利权)人：朗铂新材料科技上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31