碳/碳复合材料及其制造方法技术

一种碳／碳复合材料及其制造方法，是利用碳化升温速率较快的碳化步骤形成碳／碳复合材料，借此缩短碳／碳复合材料的制程时间，进而节省碳／碳复合材料的成本及能源。

Carbon / carbon composite material and method for manufacturing the same

A carbon / carbon composite material and its manufacturing method, using carbonization carbonization steps faster than the formation of carbon / carbon composite materials, to shorten the carbon / carbon composite process time, thus saving the cost of carbon / carbon composite material and energy.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是关于一种碳/碳复合材料的制造方法，特别是关于改善碳化步骤的碳/碳复合材料的制造方法。
技术介绍
碳/碳复合材料(Carbon/Carbon Composite Material)是由碳纤维或各种碳织物增强碳，辅以石墨化的树脂(或沥青)或化学气相沉积(Chemical VaporDeposition；CVD)碳所形成的复合材料，故又称为碳纤维强化碳基材(CarbonFiber-Reinforced Carbon Matrix)复合材料。碳/碳复合材料几乎完全由元素碳组成，可承受极高温度和极大的加热速率，而且在2000℃左右的高温环境下仍能维持其机械性质。由于碳/碳复合材料具有良好的耐热性，对于热冲击(Thermal Shock)有好的阻抗，故可应用于磨擦材料、航天工业、耐火材料等。其次，碳/碳复合材料具有优良的抗腐蚀性，故可应用于耐蚀材料。此外，碳/碳复合材料对于人体的血液、肌肉有很好的兼容性，不会有排斥的现象，因而更可应用于生医材料。碳/碳复合材料是高温中所产生的产物，在热处理过程中，基材因热分解而产生质量、体积与密度的变化，导致碳/碳复合材料极易产生裂缝及空孔。为了减少裂缝及空孔以增加材料的密度，需进行致密化(Densification)处理以提高材料密度。致密化处理一般是将碳化(Carbonization)处理后的试片，直接以液相含浸(Liquid Phase Impregnation)法进行次数不等的重复含浸(Re-Impregnation)步骤及碳化步骤，或利用液相含浸法辅以化学气相沉积法而进行。在直接以液相含浸法进行致密化处理过程中，重复含浸所使用的基材树脂可以分为热固性(Thermosetting)树脂以及热塑性(Thermoplastic)树脂。将碳化处理后的试片重复含浸于基材树脂后，再进行碳化处理。另外，化学气相沉积法则是将碳/碳基材置于高温炉中，再导入低分子量的碳氢化合物气体至高温区域，使前述气体在纤维间隙热分解而于空孔及裂缝的中沉积碳。不过，化学气相沉积法相当费时、昂贵且仅适用于较薄的工件。在材料科学文摘杂志(Journal of materials science letters)第10卷第301页至第303页(1991年)中，Ko与Chen揭露一种平织(Plane Woven)聚丙烯腈(Polyacrylonitrile；PAN)基碳织物/酚醛树脂复合材料，是以升温速率介于0.1℃/分至5℃/分之间进行碳化步骤，当升温速率低于3℃/分达1000℃进行碳化步骤时，不会影响碳/碳复合材料。在美国机械工程师协会(American Society Of Mechanical Engineers；ASME)于1993年出版的高等结构材料的热机械行为(Thermo-MechanicalBehavior of Advanced Structural Materials；AD-Vol.34/AMD-Vol.173)一书中，Roy揭露一种8H缎织(Satin Woven)聚丙烯腈基超高模数级(UHM)碳织物/酚醛树脂复合材料，是以升温速率介于0.03℃/分至0.8℃/分之间进行碳化步骤时，不会影响碳/碳复合材料。在材料科学期刊(Journal of Material Science)第29卷第5859页至第5867页(1994年)中，Chang等人揭露一种平织聚丙烯腈基碳织物/酚醛树脂复合材料，是以升温速率介于0.5℃/分至3℃/分之间进行碳化步骤，当升温速率低于3℃/分达1000℃进行碳化步骤时，不会影响碳/碳复合材料。然而以较高升温速率进行碳化步骤时，碳/碳复合材料的密度及挠曲强度(Flexural Strength)分别减少0.7％及6.6％，不过其重量损失及挠曲模数(Flexural Modulus)则不受影响。在碳(Carbon)期刊第30卷第5期第751页至第761页(1992年)中，Nam与Sefefis揭露一种8H缎织聚丙烯腈基碳织物/酚醛树脂复合材料，是以升温速率介于2℃/分至7℃/分之间达1000℃进行碳化步骤。然而当以较高升温速率及较厚的碳/碳复合材料进行碳化步骤时，会造成碳/碳复合材料内部有较大的温度梯度，而导致碳化不均、各层之间的内压，甚至于基材结构会有局部脱层(Delamination)及/或其它损伤。简言之，在碳/碳复合材料的致密化处理中，碳化步骤扮演相当重要的角色。不过在碳氢化合物的加热分解过程中，涉及碳-氢(C-H)及碳-碳(C-C)之间键结的断裂、分子的重组等反应，而引起碳/碳复合材料的收缩、断裂、及热应力等不良结果，因此碳化步骤的升温速率一般较为缓慢，约低于10℃/分，相关专利如美国专利公告号第6,077,464号、美国专利公告号第6,013,371号、美国专利公告号第5,965,268号、美国专利公告号第5,686,027号、美国专利公告号第5,607,770号、以及美国专利公告号第5,556,704号等。然而，这也使得已知碳化步骤存在耗时、耗能且耗成本等种种问题。
技术实现思路
本专利技术的目的之一就是揭露一种碳/碳复合材料的制造方法，是利用升温速率较快的碳化步骤以形成碳/碳复合材料，由于本专利技术所形成的碳/碳复合材料在机械性质及磨润性质等方面均不亚于已知制程产品的表现，因此不仅缩短碳/碳复合材料的制程时间，进而节省制造成本及能源。本专利技术的另一目的在于揭露一种强化碳/碳复合材料的方法，是于重复含浸步骤时，在高分子基材中至少加入一含碳添加物，其中此含碳添加物可例如碳黑、碳纳米微粒、纳米碳管、介相沥青粉末、石墨粉、其它碳化物或上述的任意组合，借此降低所得的碳/碳复合材料的磨耗量。本专利技术的又一目的在于揭露一种碳/碳复合材料，此碳/碳复合材料至少包含碳纤维及高分子基材，且此碳/碳复合材料是经由升温速率较快的碳化步骤而制得，由于本专利技术的碳/碳复合材料在机械性质及磨润性质等方面均不亚于已知制程产品的表现，因此不仅缩短制程时间，更节省制造成本及能源。根据本专利技术上述的目的，提出一种碳/碳复合材料的制造方法。首先，提供前驱体，其中此前驱体的组成至少包含体积百分比介于20％至80％的碳纤维混合于第一高分子基材中，其中第一高分子基材可为液态或固态。然后，进行至少一次的第一碳化步骤，其中第一碳化步骤的升温速率为至少20℃/分，以使上述前驱体形成碳/碳复合材料。依照本专利技术一较佳实施例，上述的升温速率是介于约100℃/分至约1000℃/分之间。依照本专利技术一较佳实施例，在第一碳化步骤之后，更可进行致密化/第二碳化步骤。首先，进行重复含浸(Re-Impregnation)步骤，是将碳/碳复合材料含浸于第二高分子基材中，其中第二高分子基材以液态为较佳，而重复含浸步骤可为真空含浸步骤或高压含浸步骤。接着，进行固化步骤，以固化第二高分子基材。然后，进行稳定化步骤，是以温度介于约100℃至约400℃之间进行，以稳定化第二高分子基材。之后，进行第二碳化步骤，其中此第二碳化步骤是于升温速率介于约100℃/分至约1000℃/分之间进行，以碳化第二高分子基材。依照本专利技术一较佳实施例，在第一碳化步骤以及致密化/第二碳化步骤之间，更可进行另一石墨化步骤。根据本专利技术上述的另一目的，提出一种强本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳／碳复合材料的制造方法，至少包含：提供一前驱体，包含混合碳纤维与一第一高分子基材的步骤，其中该前驱体的组成至少包含体积百分比介于２０％至８０％的一碳纤维混合于一第一高分子基材中；以及进行至少一第一碳化步骤，其中该第一碳化步骤的一升温速率为至少２０℃／分，以使该前驱体形成该碳／碳复合材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱建平，陈瑾惠，郭华轩，何淑静，陈圣孟，
申请(专利权)人：陈瑾惠，朱建平，
类型：发明
国别省市：US[美国]