一种炭-炭薄壁多孔件及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种炭‑炭薄壁多孔件的制备方法，将碳纤维预浸料缠绕在模芯上，得到预制体；所述模芯的材质为高分子固态热膨胀材料；将所述预制体置于外模中进行固化定型处理，脱除外模，得到固化定型体；将所述固化定型体进行炭化处理，得到毛坯件；将所述毛坯件进行石墨化处理，得到炭‑炭薄壁多孔件。本发明专利技术提供的方法适用于制备大尺寸炭‑炭薄壁多孔件，产品质量的一致性好、力学性能好，且生产周期短、生产成本低，易于规模化生产。

A carbon carbon thin-walled porous part and its preparation method

The invention provides a preparation method of carbon thin carbon thin-walled porous parts. The prepreg of carbon fiber is wound on the mold core to get the preform. The material of the core is a polymer solid thermal expansion material, and the preform is placed in the external mold for curing and setting treatment, removing the external mold and getting the solidifying stereotype. The stereotypes are carbonized to obtain rough parts, and the rough parts are graphitized to obtain the thin walled porous carbon charcoal. The method is suitable for the preparation of large sized carbon thin carbon thin-walled porous parts. The product quality has good consistency, good mechanical properties, short production cycle, low production cost and easy to scale production.

【技术实现步骤摘要】
一种炭-炭薄壁多孔件及其制备方法
本专利技术涉及炭纤维复合材料
，尤其涉及一种炭-炭薄壁多孔件及其制备方法。
技术介绍
近些年来，随着炭纤维复合材料制备技术的不断进步，其在粉末冶金、光伏、材料热处理等行业的应用也越来越广泛。特别是随着这些行业所用主要生产设备——各类高温炉(真空炉、压力炉、多晶铸锭炉、单晶生长炉、钎焊炉等)的设计尺寸变得越来越大，结构也越来越复杂，相应的也对炭纤维复合材料的制造工艺和产品性能提出了更高的要求，主要体现在如下方面：首先，产品尺寸更大，同时还要保证高温下具有良好的力学性能，这样才能保证大尺寸高温设备中热场元器件的可匹配性；其次，制备工艺的可设计性强，随着高温设备的功能不断提升完善，其结构的设计也越来越复杂，与之对应的异型构件的使用也越来越多，而这些异型构件的制作往往没有办法通过常规的机械加工的方法来实现(即便能实现也可能对加工设备的要求过高导致加工成本高昂)，必须通过可设计的制备工艺来保障；最后，制备工艺还必须成本低廉、稳定可靠，由于炭纤维复合材料制备工艺的不可逆性(一但出现次品，无法修复，且原材料不能回收)，要求其制备工艺必须稳定可靠，成材率高。目前，制备大尺寸炭-炭薄壁多孔件主要有以下两种工艺：一：直接采用0.20～0.5mm厚的碳纤维预浸料，根据产品的尺寸要求在设计好的金属模具上缠绕成型，然后将多根缠绕好的预制体并排摆放并夹紧，再在平板热压机上加压升温，固化定型，然后脱模，将脱模得到的预制体用石墨板压好进高温炉炭化，最后切边打磨得到产品。二：根据产品的形状和尺寸，直接定制相应形状和尺寸的炭纤维穿刺结构预制体(三维穿刺结构预制体)，然后对炭纤维穿刺结构预制体进行化学气相沉积增密并定型，定型后的预制体经过2～3次沉积增密后即可按图纸尺寸进行精加工，精加工完成后直接使用或根据产品密度和表面形貌进行涂层处理后使用。但是采用第一种工艺制备大尺寸炭-炭薄壁多孔件时，需要使用金属模具缠绕成型，因此对金属模具的尺寸、精度、表面光洁度等都有很高的要求，金属模具定制的费用会导致生产成本升高。而且由于固化定型过程需要采用平板模压机加压升温实现，由于平板模压工艺的局限性，导致定型后的炭-炭薄壁多孔件仅在平行模压面(即上下表面)具有良好的性能，而在垂直模压面仅靠手工缠绕和夹具施压，且对于压力不够的部位容易在炭化的过程中出现分层或变形，很难保证产品质量的一致性。此外，由于大量金属模具、工装、夹具的使用，导致整个制备工艺过程中，制品的移动、运输必须依靠机械设备来实现，操作性较差，生产效率较低。采用第二种工艺制备大尺寸炭-炭薄壁多孔件时，首先对预制体的编织技术要求较高，和普通的2.5维针刺结构预制体不同，三维穿刺结构预制体需要大量的手工缝制作业，生产效率低、制作成本高昂，同样重量的穿刺结构预制体是针刺结构预制体价格的10倍。其次，由于化学气相沉积增密定型工艺不属于近净成型工艺，产品尺寸和形状还是需要精密加工工序来保证，这就对精密加工的设备和成本提出了很高的要求，特别是大尺寸的炭-炭薄壁多孔件在加工的过程中容易变形，目前国内还很难找到合适的加工设备。此外，由于机械加工必然会破坏预制体表层炭纤维的连续性，也会对产品的最终力学性能造成影响。综上，目前制备大尺寸炭-炭薄壁多孔件普遍存在生产成本高和产品性能差的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种炭-炭薄壁多孔件及其制备方法，采用本专利技术提供的方法能够制备大尺寸炭-炭薄壁多孔件，生产成本低，产品性能好。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种炭-炭薄壁多孔件的制备方法，包括以下步骤：(1)将碳纤维预浸料缠绕在模芯上，得到预制体；所述模芯的材质为高分子固态热膨胀材料；(2)将所述步骤(1)中的预制体置于外模中进行固化定型处理，脱除外模，得到固化定型体；(3)将所述步骤(2)中的固化定型体进行炭化处理，得到毛坯件；(4)将所述步骤(3)中的毛坯件进行石墨化处理，得到炭-炭薄壁多孔件。优选的，所述步骤(1)中的碳纤维预浸料所用炭布包括平纹炭布、斜纹炭布或缎纹炭布；所述炭布的规格包括3K、6K或12K。优选的，所述步骤(1)中的碳纤维预浸料所用预浸胶包括酚醛树脂、环氧树脂、苯丙噁嗪树脂或呋喃树脂；所述碳纤维预浸料中预浸胶的质量含量为40～50％。优选的，所述步骤(1)中的高分子固态热膨胀材料包括聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚醚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯或改性固态环氧树脂。优选的，所述步骤(2)中固化定型处理包括依次进行的第一热处理和第二热处理；所述第一热处理是在1～2h内匀速升温至模芯的软化温度，所述第二热处理是在0.5h内从模芯的软化温度匀速升温至碳纤维预浸料的固化温度，保温1～2h。优选的，所述步骤(3)中炭化处理在保护气氛中进行，所述炭化处理的温度为800～1300℃，所述炭化处理的时间为3～10h。优选的，所述步骤(4)中石墨化处理在保护气氛中进行，所述石墨化处理的温度为1800～2500℃，所述石墨化处理的时间为2～8h。优选的，所述步骤(4)中石墨化处理后还包括表面打磨处理。优选的，所述表面打磨处理后还包括表面涂层封孔处理。本专利技术提供了上述技术方案所述的制备方法制备得到的炭-炭薄壁多孔件。本专利技术提供了一种炭-炭薄壁多孔件的制备方法，将碳纤维预浸料缠绕在模芯上，得到预制体；所述模芯的材质为高分子固态热膨胀材料；将所述预制体置于外模中进行固化定型处理，脱除外模，得到固化定型体；将所述固化定型体进行炭化处理，得到毛坯件；将所述毛坯件进行石墨化处理，得到炭-炭薄壁多孔件。采用本专利技术提供的方法能够制备大尺寸炭-炭薄壁多孔件，生产成本低，产品性能好，易于规模化生产。具体来说，本专利技术提供的方法制备预制体时采用炭纤维预浸料缠绕近净成型，相比于炭纤维整体毡预制体，原材料价格更低廉，生产成本更低。本专利技术采用热膨胀内外双模压的固化定型处理方法，操作简单，与常规化学气相沉积增密定型工艺相比，可缩短生产周期20～30％，降低生产成本15～20％。同时，本专利技术采用热膨胀内外双模压的固化定型处理方法，可保证所得炭-炭薄壁多孔件的质量一致性更好，特别是在制备超过1m的大尺寸产品时，其不同部位的密度差可控制在0.01g/cm3，避免了现有技术中炭-炭薄壁多孔件质量一致性差的问题，如常规化学气相沉积增密定型工艺中，由于现有的气相沉积工艺固有的缺点：沿着沉积炭源气的流动方向，不同部位的沉积效率不同，导致同一产品各部位的密度与性能不同，产品尺寸越大，差异越明显；又如常规平板模压定型工艺中，在垂直模压面仅靠手工缠绕和夹具施压，且对于压力不够的部位容易在炭化的过程中出现分层或变形，很难保证产品质量的一致性。此外，本专利技术采用热膨胀内外双模压的固化定型处理方法制备炭-炭薄壁多孔件，所得产品表面无需进行精加工处理，产品表面的炭纤维连续性没有被破坏，力学性能更好，抗弯强度可以达到110MPa；而如果采用常规化学气相沉积增密定型工艺，产品还需要进行精加工处理，这必然会破坏预制体表层炭纤维的连续性，最终所得产品的抗弯强度一般只能达到80MPa。附图说明图1为采用本专利技术提供的方法制备带有平行方孔的炭-炭薄壁板材的示意图。具体实施方式本专利技术提供了一种炭-炭薄壁多孔件的制备方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种炭‑炭薄壁多孔件的制备方法，包括以下步骤：(1)将碳纤维预浸料缠绕在模芯上，得到预制体；所述模芯的材质为高分子固态热膨胀材料；(2)将所述步骤(1)中的预制体置于外模中进行固化定型处理，脱除外模，得到固化定型体；(3)将所述步骤(2)中的固化定型体进行炭化处理，得到毛坯件；(4)将所述步骤(3)中的毛坯件进行石墨化处理，得到炭‑炭薄壁多孔件。

【技术特征摘要】
1.一种炭-炭薄壁多孔件的制备方法，包括以下步骤：(1)将碳纤维预浸料缠绕在模芯上，得到预制体；所述模芯的材质为高分子固态热膨胀材料；(2)将所述步骤(1)中的预制体置于外模中进行固化定型处理，脱除外模，得到固化定型体；(3)将所述步骤(2)中的固化定型体进行炭化处理，得到毛坯件；(4)将所述步骤(3)中的毛坯件进行石墨化处理，得到炭-炭薄壁多孔件。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的碳纤维预浸料所用炭布包括平纹炭布、斜纹炭布或缎纹炭布；所述炭布的规格包括3K、6K或12K。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的碳纤维预浸料所用预浸胶包括酚醛树脂、环氧树脂、苯丙噁嗪树脂或呋喃树脂；所述碳纤维预浸料中预浸胶的质量含量为40～50％。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的高分子固态热膨胀材料包括聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚醚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯或改性固...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜勇，杨宇，孟辉，马艺林，黄耀昕，肖志英，徐雄，
申请(专利权)人：湖南省鑫源新材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43