一种高损伤容限C/C-SiC复合材料及其制备与调控方法技术

本发明专利技术涉及C/C‑SiC复合材料技术领域，公开了一种高损伤容限C/C‑SiC复合材料及其制备与调控方法。C/C‑SiC复合材料的制备方法采用碳纤维布，以高分子聚合物、硅粉为原材料，通过预浸、裁剪、叠层、压制、固化、炭化、融渗等工艺制备得到；所述碳纤维布由分层堆叠的碳纤维布单元构成，所述碳纤维布单元为纤维束排布角度0～15°/90～75°碳纤维布中的一种或多种、和/或15～30°/75～60°碳纤维布中的一种或多种、和/或45°/45°碳纤维布。本发明专利技术制备的产品具有致密度高，优良的力学性能、极高的失效应变和高的损伤容限，适用于高速高能载交通运输、摩擦制动材料、空间结构等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种高损伤容限C/C-SiC复合材料及其制备与调控方法
本专利技术涉及一种高损伤容限C/C-SiC复合材料及其制备与调控方法，具体涉及一种断裂应变高的C/C-SiC复合材料及其制备与调控方法。
技术介绍
碳纤维增强炭-炭化硅双基体(C/C-SiC)复合材料具有轻质、高比强度、高比模量、抗氧化、耐腐蚀、摩擦系数高和导热性好等一系列优异性能，很好地克服了C/C制动材料静态和湿态环境下摩擦系数衰退等缺点，是极具竞争力的新一代摩擦材料。目前，制备C/C-SiC复合材料的方法主要有化学气相渗透法(CVI)、浸渍裂解法(PIP)和熔硅浸渗法(LSI)等。相对其他制备方法，LSI法具有生产周期短、成本相对较低、致密度高等优点，是目前国内外大规模生产低成本C/C-SiC复合材料的主要方法。然而，熔硅浸渗法制备的C/C-SiC摩擦材料由于高温制备过程中液硅对碳纤维的腐蚀，导致所制备的材料断裂时的失效应变降低，以致于造成较低的损伤容限，导致整体力学性能较低、韧性较差。目前，在熔硅浸渗法制备C/C-SiC复合材料过程中，大多采用改性方法来提高C/C-SiC复合材料的损伤容限。碳纤维结构作为复合材料的骨架，主要起到承载作用，外界作用于复合材料上的力都会传递给碳纤维骨架，所以对复合材料的破坏首先要破坏碳纤维骨架结构。对碳纤维的破坏基本可分两种，一种是平行于碳纤维方向的拉伸力；另一种是垂直于碳纤维方向的剪切力。由此可知，合适的碳纤维结构对C/C-SiC复合材料的整体力学性能至关重要，本专利技术通过调控碳纤维布中纤维束的排布方向以及不同纤维排布方向碳纤维布的体积分数，提高材料断裂时的失效应变，从而使材料具有较高损伤容限，解决材料整体力学性能较低、韧性较差的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种高损伤容限C/C-SiC复合材料，通过调控碳纤维布中纤维束的排布方向以及不同纤维排布方向碳纤维布的体积分数，提高材料断裂时的失效应变，从而使材料具有较高损伤容限，解决材料整体力学性能较低、韧性较差的问题。为实现上述目的，本专利技术技术方案如下：本专利技术提供一种高损伤容限C/C-SiC复合材料的制备方法，采用碳纤维布，以高分子聚合物、硅粉为原材料，通过预浸、裁剪、叠层、压制、固化、炭化、融渗等工艺制备得到；所述碳纤维布由分层堆叠的碳纤维布单元构成，所述碳纤维布单元为纤维束排布角度0～15°/90～75°碳纤维布中的一种或多种、和/或15～30°/75～60°碳纤维布中的一种或多种、和/或45°/45°碳纤维布；其中：按不同纤维排布方向的碳纤维占总碳纤维含量以体积百分比计：每种0～15°/90～75°碳纤维的体积百分比为：0～20vol％每种15～30°/75～60°碳纤维的体积百分比为：0～100vol％45°/45°碳纤维：0～100vol％。本专利技术以碳纤维布、高分子聚合物和工业硅粉为原料制备C/C-SiC复合材料的制备方法，创造性的通过调节碳纤维布中纤维的排布方向改变材料在加载条件下的基体裂纹扩张与纤维断裂的方式；同时，使用含有高分子聚合物的预浸液完成对碳纤维布的预浸，而后进行炭化和硅粉融渗，最终获得强度与损伤容量均可调控的C/C-SiC复合材料。本专利技术所述碳纤维布单元交错层叠，碳纤维布单元有多种结构形式互相配合，每层可以全是15～30°/75～60°碳纤维布单元，可以全是45°/45°碳纤维布单元，可以是0～15°/90～75°碳纤维布单元，也可以是上述三者混搭。其碳纤维布单元的层数可以根据纤维的体积分数来决定，比如说预设纤维体积分数为40％。乘以最终体积a得到0.4a.。再乘以碳纤维密度c得出碳纤维的质量0.4ac。假若每层碳布的重量d，则层数为0.4ac/d。其层数为多层时，不同的层数的碳纤维布单元之间，其纤维束排布角度可相同，也可不同。优选地，所述高分子聚合物包括酚醛树脂、呋喃树脂、沥青、聚醚醚酮(PEEK)聚醚酰亚胺(PEI)等，进一步优选为酚醛树脂。进一步优选地，按不同纤维排布方向的碳纤维占总碳纤维含量以体积百分比计：每种0～15°/90～75°碳纤维的体积百分比为：0～10vol％每种15～30°/75～60°碳纤维的体积百分比为：50～100vol％45°/45°碳纤维：50～100vol％。进一步优选地，所述碳纤维布单元为纤维束排布角度0°/90°碳纤维布、30°/60°碳纤维布、45°/45°碳纤维布和15°/75°碳纤维布的一种或多种。进一步优选地，所述碳纤维布为多层结构，所述多层结构从内到外依次为中间层和相对于中间层上、下对称的外层结构，相同纤维束排布角度的碳纤维布单元层分两等份呈上、下对称设置组成所述外层结构。更进一步优选地，所述多层结构中，从内到外的碳纤维布单元层的纤维束排布角度越来越小。优选地，所述碳纤维布制备方法具体如下：取碳纤维编织布，先进行脱胶处理，然后将所得脱胶后的碳纤维编织布按预定纤维排布方向进行裁剪，得碳纤维布单元，将所得碳纤维布单元按照设计的体积分数和堆叠秩序进行叠层，得碳纤维布。进一步优选地，在碳纤维编织布脱胶处理之后，将浸渍液涂刷于脱胶的碳纤维编织布上对其进行处理，处理完成后，将所得碳纤维编织布干燥，然后进行裁剪处理。进一步优选地，所述预浸过程中所用浸渍液含有A、B，所述A为高分子聚合物，B为异丙醇，再进一步优选地，所述浸渍液配置过程如下：将A粉末溶解于浓度100％的纯B溶液中，优选使用机械搅拌器的辅助均匀，A和B质量比设置为50～65：50～35，进一步优选所述高分子聚合物为甲阶酚醛树脂，所述甲阶酚醛树脂在800℃氮气环境下热解的残炭率为50～55％。本专利技术采用裁剪和叠层工艺实现碳纤维布中不同纤维排布方向的碳纤维布体积分数的不同及不同碳纤维布单元之间的堆叠方式的差异，在裁剪和堆叠之前，优选先进行脱胶碳纤维编织布的预浸，使树脂溶液对碳纤维布的浸润更为充分，提高工艺效率，为最后得到高力学性能C/C-SiC复合材料奠定基础。本专利技术脱胶的碳纤维编织布由碳纤维编织布预制体进行脱胶处理后得到，采用本领域常规脱胶方法处理即可，如丙酮浸泡加干燥的方法进行脱胶，本专利技术申请人研究发现使用高温热处理脱胶工艺得到脱胶碳纤维编织布得到的材料效果更优，本专利技术所述脱胶的碳纤维编织布优选使用以下方法制备：将碳纤维编织布预制体置于真空烧结炉中，在氮气保护下，10～20℃/min的升温速度快速加热至800～1000℃，对纤维进行脱胶处理后随炉冷却至室温，得到脱胶的碳纤维编织布。优选地，本专利技术碳纤维编织布按碳纤维原丝可包括：PAN基碳纤维布、黏胶基碳纤维布和沥青基碳纤维布，按碳纤维规格可包括：1K碳纤维布、3K碳纤维布、6K碳纤维布、12K碳纤维布和24K及以上大丝束碳纤维布；按照编织方式可包括：平纹布、斜纹布和缎纹布。优选地，所述叠层工序在模具中完成，得碳纤维布后，将填装后的模具加热至120～160℃，加热的过程中持续增大压力，使填料厚度达到预设厚度值，后保持压制压力不变，快速加热至200～250℃完成树脂的固化，得到碳纤维增强树脂复合材料；对碳纤维增强树脂复合材料依次进行炭化、熔硅浸渗即得C/C-SiC复合材料。优选地，本专利技术高损伤容限C/C-SiC复合材料的制备方法具体步骤为：S1.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高损伤容限C/C‑SiC复合材料的制备方法，其特征在于，采用碳纤维布，以高分子聚合物、硅粉为原材料，通过预浸、裁剪、叠层、压制、固化、炭化、融渗等工艺制备得到；所述碳纤维布由分层堆叠的碳纤维布单元构成，所述碳纤维布单元为纤维束排布角度0～15°/90～75°碳纤维布中的一种或多种、和/或15～30°/75～60°碳纤维布中的一种或多种、和/或45°/45°碳纤维布；其中：按不同纤维排布方向的碳纤维占总碳纤维含量以体积百分比计：每种0～15°/90～75°碳纤维的体积百分比为：       0～20vol％每种15～30°/75～60°碳纤维的体积百分比为：      0～100vol％45°/45°碳纤维：                                0～100vol％。

【技术特征摘要】
1.一种高损伤容限C/C-SiC复合材料的制备方法，其特征在于，采用碳纤维布，以高分子聚合物、硅粉为原材料，通过预浸、裁剪、叠层、压制、固化、炭化、融渗等工艺制备得到；所述碳纤维布由分层堆叠的碳纤维布单元构成，所述碳纤维布单元为纤维束排布角度0～15°/90～75°碳纤维布中的一种或多种、和/或15～30°/75～60°碳纤维布中的一种或多种、和/或45°/45°碳纤维布；其中：按不同纤维排布方向的碳纤维占总碳纤维含量以体积百分比计：每种0～15°/90～75°碳纤维的体积百分比为：0～20vol％每种15～30°/75～60°碳纤维的体积百分比为：0～100vol％45°/45°碳纤维：0～100vol％。2.根据权利要求1所述的高损伤容限C/C-SiC复合材料的制备方法，其特征在于，按不同纤维排布方向的碳纤维占总碳纤维含量以体积百分比计：每种0～15°/90～75°碳纤维的体积百分比为：0～10vol％每种15～30°/75～60°碳纤维的体积百分比为：50～100vol％45°/45°碳纤维：50～100vol％。3.根据权利要求1或2所述的高损伤容限C/C-SiC复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维布单元为纤维束排布角度0°/90°碳纤维布、30°/60°碳纤维布、45°/45°碳纤维布和15°/75°碳纤维布的一种或多种。4.根据权利要求1或2所述的高损伤容限C/C-SiC复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维布为多层结构，所述多层结构从内到外依次为中间层和相对于中间层上、下对称的外层结构，相同纤维束排布角度的碳纤维布单元层分两等份呈上、下对称设置组成所述外层结构。5.根据权利要求4所述的高损伤容限C/C-SiC复合材料的制备方法，其特征在于，所述多层结构中，从内到外的碳纤维布单元层的纤维束排布角度越来越小。6.根据权利要求1～5任一项所述的高损伤容限C/C-SiC复合材料的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：李杨，肖鹏，
申请(专利权)人：湖南中南智造新材料协同创新有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43