一种碳/碳复合材料厚板的预制体结构及厚板制备方法技术

一种碳/碳复合材料厚板的预制体结构及厚板制备方法，所述预制体结构包括芯层和胎网层，所述芯层为厚度为20‑40mm的碳纤维毡，所述胎网层为针刺在芯层两侧的碳纤维网胎。所述厚板制备方法是将所述的预制体结构置于化学气相渗碳炉中，进行化学气相渗碳增密后，依次进行石墨化处理、机加工；重复上述工艺过程，直至得到的碳/碳复合材料密度达到设计要求。本发明专利技术的碳/碳复合材料厚板的预制体结构，利用网胎层作为碳源气传送介质，将碳源气均匀导向芯层，降低芯层厚度方向的密度差，解决芯层的表面封孔问题，制备高密度碳/碳复合材料厚板，其厚度为20‑40mm、密度为0.4‑0.8g/cm

A Prefabricated Structure of Carbon/Carbon Composite Thick Plate and Its Preparation Method

A prefabricated structure of a carbon/carbon composite thick plate and a preparation method of a thick plate are provided. The prefabricated structure includes a core layer and a tire mesh layer. The core layer is a carbon fiber felt with a thickness of 20 to 40 mm. The tire mesh layer is a carbon fiber mesh tire needled on both sides of the core layer. The thick plate preparation method is that the preform structure is placed in the chemical vapor carburizing furnace, after chemical vapor carburizing densification, graphitization treatment and machining are carried out in turn, and the process is repeated until the density of the carbon/carbon composite material reaches the design requirements. The precast structure of the carbon/carbon composite thick plate of the invention uses the net tire layer as the carbon source gas transmission medium, uniformly directs the carbon source gas to the core layer, reduces the density difference in the thickness direction of the core layer, solves the surface sealing problem of the core layer, and prepares the high density carbon/carbon composite thick plate with a thickness of 20 40 mm and a density of 0.4 0.8 g/cm.

【技术实现步骤摘要】
一种碳/碳复合材料厚板的预制体结构及厚板制备方法
本专利技术涉及一种碳/碳复合材料厚板的预制体结构及碳/碳复合材料厚板制备方法，特指一种化学气相渗碳制备高密度碳/碳复合材料厚板的预制体结构及厚板制备方法。属于化学气相渗碳

技术介绍
化学气相渗碳是制备高性能碳/碳复合材料的优选方法，它通过在高温下将碳源气中的碳分解、沉积到碳纤维表面而实现，其效率取决于碳纤维表面的碳源气浓度。碳源气是通过碳/碳复合材料表面向内部传送的，在化学气相渗碳过程中，由于表面碳源气充足，优先渗碳，密度较高；内部碳源气较少，滞后渗碳，密度较低，在碳/碳复合材料厚度方向形成由表及里的密度差。当表面密度达到一定数值，如1.85g/cm3以上时，产生表面封孔效应，必须机加工去除表面封孔层，渗碳过程才能继续进行。现有碳/碳复合材料预制体结构是将碳纤维网胎针刺成一定厚度的平板毡，随着平板毡厚度的增加，化学气相渗碳过程中，表面封孔效应加剧，复合材料的整体增密效率降低，因此采用现有碳/碳复合材料预制体结构难以获得高密度碳/碳复合材料厚板。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术之不足而提供一种碳/碳复合材料厚板的预制体结构及碳/碳复合材料厚板的制备方法。本专利技术的预制体结构，利用网胎层作为碳源气传送介质，将碳源气均匀导向芯层，降低芯层厚度方向的密度差，解决芯层的表面封孔问题，制备高密度碳/碳复合材料厚板。本专利技术的碳/碳复合材料厚板的制备方法可以制备出密度均匀、密度梯度小的碳/碳复合材料厚板。本专利技术一种碳/碳复合材料厚板的预制体结构，所述预制体结构包括芯层和胎网层，所述芯层为厚度为20-40mm的碳纤维毡，所述胎网层为针刺在芯层两侧的碳纤维网胎。本专利技术一种碳/碳复合材料厚板的预制体结构，所述芯层的碳纤维毡为碳纤维针刺整体毡或碳纤维三维编制毡，密度为0.4-0.8g/cm3。本专利技术一种碳/碳复合材料厚板的预制体结构，所述胎网层的碳纤维为T700，网胎层厚度为2-10mm、密度为0.1-0.3g/cm3。本专利技术一种碳/碳复合材料厚板的制备方法，是将碳/碳复合材料厚板的预制体结构置于化学气相渗碳炉中，进行化学气相渗碳增密后，依次进行石墨化处理、机加工；重复上述工艺过程，直至得到的碳/碳复合材料密度达到设计要求；每次化学气相渗碳增密工艺参数为：以丙烯或天然气为碳源气，控制炉温为900-1200℃、炉压为1-15kPa，化学气相渗碳50-200h。本专利技术一种碳/碳复合材料厚板的制备方法，石墨化处理制度为：控制炉内气氛为氩气0.11-0.13MPa、炉温为2000-2300℃、保温时间为1-2h，随炉冷却。本专利技术一种碳/碳复合材料厚板的制备方法，机加工是将经过石墨化处理的工件进行胎网层表面加工，表面加工每次去皮量厚度为1-3mm。本专利技术一种碳/碳复合材料厚板的制备方法，碳/碳复合材料厚板预制体结构中，芯层厚度为20-40mm，密度为0.4-0.8g/cm3。本专利技术一种碳/碳复合材料厚板的制备方法，渗碳增密完成后，机加工去除胎网层，得到芯层的碳/碳复合材料厚度为20-40mm，密度为1.75-1.85g/cm3。优点及积极效果本专利技术以碳纤维编织体为芯层，厚度为20-40mm、密度为0.4-0.8g/cm3，将碳纤维网胎针刺到芯层两侧形成网胎层，制备碳/碳复合材料预制体，经过化学气相渗碳、石墨化、表面机加工，利用网胎层作为碳源气传送介质，将碳源气均匀导向芯层，降低芯层厚度方向的密度差，解决芯层的表面封孔问题，制备出厚度为20-40mm、密度为1.75-1.85g/cm3的碳/碳复合材料。本专利技术利用网胎层作为碳源气传送介质，将碳源气均匀导向芯层，降低芯层厚度方向的密度差，解决芯层的表面封孔问题，制备高密度碳/碳复合材料厚板。其机理及优点简述于下：1、本专利技术的网胎层，内部存在大量微米尺度的孔隙，成为碳源气的有效通道，将碳源气均匀导向芯层，实现芯层均匀化学气相渗碳，降低芯层厚度方向的密度差。2、本专利技术采用网胎层的初始碳纤维密度与芯层初始碳纤维密度的匹配，使网胎层的初始碳纤维密度小于芯层初始碳纤维密度，使得芯层中碳纤维的比表面积较网胎层更大，芯层中碳纤维对碳源气的吸附更强、渗碳效率更高，实现在渗碳后，芯层获得高于网胎层的密度。3、本专利技术的网胎层，作为保护层，将表面封孔控制在该层内，保护芯层不受表面封孔效应影响；4、本专利技术的碳/碳复合材料预制体结构，可用于制备高密度碳/碳复合材料厚板，其厚度为20-40mm、密度为0.4-0.8g/cm3。附图说明附图1为本专利技术碳/碳复合材料预制体结构示意图；图中：1--胎网层，2---芯层；芯层两侧设有网胎层。具体实施方式实施例1：参见附图1，一种碳/碳复合材料厚板的预制体结构，所述预制体结构包括芯层和胎网层，所述芯层为厚度为20-40mm的碳纤维毡，所述胎网层为针刺在芯层两侧的碳纤维网胎；所述芯层的碳纤维毡为碳纤维针刺整体毡或碳纤维三维编制毡，密度为0.4-0.8g/cm3；所述胎网层的碳纤维为T700，网胎层厚度为2-10mm、密度为0.1-0.3g/cm3。实施例2一种碳/碳复合材料厚板的制备方法，是将碳/碳复合材料厚板的预制体结构置于化学气相渗碳炉中，进行化学气相渗碳增密后，依次进行石墨化处理、机加工；重复上述工艺过程1次，得到的碳/碳复合材料密度为1.85g/cm3；每次化学气相渗碳增密工艺参数为：以丙烯或天然气为碳源气，控制炉温为900℃、炉压为1kPa，化学气相渗碳50h；石墨化处理制度为：控制炉内气氛为氩气0.11-0.13MPa、炉温为2000℃、保温时间为1h，随炉冷却；机加工是将经过石墨化处理的工件进行胎网层表面加工，每次表面加工去皮量厚度为1mm；碳/碳复合材料厚板预制体结构中，芯层厚度为20mm，密度为0.8g/cm3；网胎层的厚度为2mm、密度为0.3g/cm3；渗碳增密完成后，机加工去除胎网层，得到芯层的碳/碳复合材料厚度为20mm，密度为1.85g/cm3。实施例3：一种碳/碳复合材料厚板的制备方法，是将碳/碳复合材料厚板的预制体结构置于化学气相渗碳炉中，进行化学气相渗碳增密后，依次进行石墨化处理、机加工；重复上述工艺过程4次，得到的碳/碳复合材料密度为1.80g/cm3；每次化学气相渗碳增密工艺参数为：以丙烯为碳源气，控制炉温为950℃、炉压为6kPa，化学气相渗碳100h；石墨化处理制度为：控制炉内气氛为氩气0.11-0.13MPa、炉温为2300℃、保温时间为2h，随炉冷却；机加工是将经过石墨化处理的工件进行胎网层表面加工，每次表面加工去皮量厚度为2mm；碳/碳复合材料厚板预制体结构中，芯层厚度为40mm，密度为0.6g/cm3；网胎层的厚度为10mm、密度为0.1g/cm3；渗碳增密完成后，机加工去除胎网层，得到芯层的碳/碳复合材料厚度为40mm，密度为1.80g/cm3。实施例4：一种碳/碳复合材料厚板的制备方法，是将碳/碳复合材料厚板的预制体结构置于化学气相渗碳炉中，进行化学气相渗碳增密后，依次进行石墨化处理、机加工；重复上述工艺过程3次，得到的碳/碳复合材料密度为1.78g/cm3；每次化学气相渗碳增密工艺参数为：以丙烯为碳源气，控制炉温为1000℃、炉压为15kPa，化学气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳/碳复合材料厚板的预制体结构，其特征在于：所述预制体结构包括芯层和胎网层，所述芯层为厚度为20‑40mm的碳纤维毡，所述胎网层为针刺在芯层两侧的碳纤维网胎。

【技术特征摘要】
1.一种碳/碳复合材料厚板的预制体结构，其特征在于：所述预制体结构包括芯层和胎网层，所述芯层为厚度为20-40mm的碳纤维毡，所述胎网层为针刺在芯层两侧的碳纤维网胎。2.根据权利要求1所述的一种碳/碳复合材料厚板的预制体结构，其特征在于：所述芯层的碳纤维毡为碳纤维针刺整体毡或碳纤维三维编制毡，密度为0.4-0.8g/cm3。3.根据权利要求2所述的一种碳/碳复合材料厚板的预制体结构，其特征在于：所述胎网层的碳纤维为T700，网胎层厚度为2-10mm、密度为0.1-0.3g/cm3。4.一种碳/碳复合材料厚板的制备方法，是将权3所述的碳/碳复合材料厚板的预制体结构置于化学气相渗碳炉中，进行化学气相渗碳增密后，依次进行石墨化处理、机加工；重复上述工艺过程，直至得到的碳/碳复合材料密度达到设计要求；每次化学气相渗碳增密工艺参数为：以丙烯或天然气为碳源气...

【专利技术属性】
技术研发人员：张福勤，黄伯云，曾凡浩，杨宇，夏莉红，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43