一种短周期、低成本制备高性能碳/碳复合材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种短周期、低成本制备高性能碳/碳复合材料的方法，属于碳纤维复合材料制备技术领域。该方法采用电耦合化学气相沉积工艺(E‑CVI)与液相浸渍‑碳化工艺(PIC)复合工艺制备高性能C/C复合材料。所制备的高性能、高密度C/C复合材料密度可达1.8～1.9g/cm

A Short Period and Low Cost Method for Preparing High Performance Carbon/Carbon Composites

【技术实现步骤摘要】
一种短周期、低成本制备高性能碳/碳复合材料的方法
本专利技术涉及碳纤维复合材料制备
，具体涉及一种短周期、低成本制备高性能碳/碳复合材料的方法。
技术介绍
碳/碳复合材料(C/C复合材料)作为一种先进复合材料，兼具结构材料和功能材料的双重特性。它具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、低密度和膨胀系数小等一系列优异性能。目前，已被广泛用于航空和航天领域。如火箭发动机喷管喉衬、飞机用刹车盘、磁浮列车滑撬板等。C/C复合材料主要制备工艺包括液相浸渍裂解法(PIC工艺)以及化学气相渗透法(CVI工艺)。其中液相浸渍裂解法主要采用沥青或树脂为前驱体通过反复的加压浸渍、碳化和高温热处理等工序来制备。该方法存在明显缺点，即预制体需要在前驱体溶液中反复浸渍并且在惰性氛围中碳化，而多次循环浸渍不但损伤纤维而且由于树脂炭基体的收缩会导致最终产品层间开裂。CVI工艺是在化学气相沉积(CVD)法基础上发展起来的一种特殊方法，采用CVI方法制备C/C复合材料的一般做法是：将碳纤维预制体置于沉积炉中，气态的碳氢化合物通过扩散、流动等方式进入预制体内部，在一定温度下发生热解反应，生成热解碳并以涂层形式沉积于纤维表面。等温化学气相渗(ICVI)工艺是对传统CVI工艺的改进，是把碳纤维预制体置于等温化学气相沉积炉中，将烃类有机气体通入反应区，在一定的压力和温度下，使这些气体发生一系列的化学反应，最后生成热解碳沉积在碳纤维预制体的孔隙中。等温CVI工艺的不足之处是很难制备出大尺寸高密度的C/C复合材料，此外制备工艺周期长且成本昂贵。例如制备密度为1.60-1.70g/cm3的C/C复合材料约需800～1000小时，沉积过程中需要通过多次机械加工来打开材料表面孔隙。因此，如何提高C/C复合材料的力学性能，缩短材料制备周期，降低制备成本成为急需解决的问题。
技术实现思路
:本专利技术的目的在于提供一种短周期、低成本制备高性能碳/碳复合材料的方法，采用电耦合化学气相渗工艺(Electromagneticcouplingchemicalvaporinfiltration，E-CVI)与液相浸渍-碳化(precursorimpregnationcarbonization，PIC)工艺相结合的方法制备高性能C/C复合材料，制备周期短，成本低。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种短周期、低成本制备高性能碳/碳复合材料的方法，该方法是采用E-CVI工艺与PIC工艺相结合制备C/C复合材料，该方法包括如下步骤：(1)界面层的制备：将碳纤维预制体置于ICVI沉积炉中，采用等温化学气相渗(Isothermalchemicalvaporinfiltration，ICVI)工艺制备热解碳界面层，界面层厚度0.3～2μm；(2)采用E-CVI制备低密度C/C复合材料；(3)采用PIC工艺制备高性能、高密度C/C复合材料：上述步骤(1)中，所述碳纤维预制体采用2D针刺结构、2.5D编织结构、3D编织结构或细编穿刺结构，其中以2D针刺结构最为典型，一般采用一层12K(或1K、3K、6K)PANCF无纬布与一层12KPANCF网胎交替铺层，无纬布为0/90°铺层，1.X+1.Y方式连续针刺而成。上述步骤(1)中，所述等温化学气相渗工艺参数为：原料气体中以Ar或者N2为稀释气体，稀释气体流量0.01～0.5m3/h，以液化天然气、甲烷或丙烷为碳源气体，碳源气体流量0.01～0.5m3/h；沉积温度700～1100℃，沉积时间3-10h。上述步骤(2)中，所述E-CVI的过程为：将步骤(1)制备的带有界面层的样品置于带有水冷壁的化学气相沉积炉内并直接通电加热，纤维周围产生电磁场，由于预制体的隔热及外部气流和水冷壁的作用，预制体内形成温度梯度，从而使得沉积优先发生在中心，并逐渐向两侧推移，反应气体在电磁场、温度场和流体场的相互作用下实现快速沉积。上述步骤(2)中，所述E-CVI过程中，以Ar或者N2为稀释气体，稀释气体流量0.01～0.5m3/h，以液化天然气、甲烷或丙烷为碳源气体，碳源气体流量0.01～0.5m3/h；沉积温度300～1100℃，沉积时间5-50h。上述步骤(2)所制备的低密度C/C复合材料，其基体中心部分为致密热解碳层，外侧为疏松的热解碳层，材料整体密度控制在0.8～1.6g/cm3之间。上述步骤(3)中，所述PIC工艺的过程为：将步骤(2)所得低密度C/C复合材料置于真空压力容器内，利用真空环境将树脂浸渍到基体内，该过程称为真空-压力浸渍过程；经真空-压力浸渍过程后，再进行低温干燥交联固化和高温裂解碳化过程，得到中间C/C复合材料，重复进行所述真空-压力浸渍、低温干燥交联固化和高温裂解碳化过程5～15次，最终获得高密度、高性能C/C复合材料，密度控制在1.8～1.9g/cm3。所述PIC工艺过程中，当所述中间C/C复合材料的增重率≤3％时需要对基体进行机械加工或者高温石墨化处理；所述机械加工尺度范围0.5～2mm，所述高温石墨化处理是指将C/C复合材料在温度1800～2800℃条件下处理1～2h。所述PIC工艺过程中，所用的树脂可以是用于制备C/C复合材料时浸渍用的现有任何树脂，本专利技术优选的树脂为呋喃树脂或酚醛树脂。所述PIC工艺过程中，进行真空-压力浸渍、低温干燥交联固化和高温裂解碳化过程具体为：首先，利用真空环境将树脂引入到材料内部，真空度≤-0.1MPa，保持1-3h；然后，通入Ar或N2并加压至2～6MPa，保持1-5h；再然后，120-180℃交联固化5-10h；最后，碳化裂解：碳化温度900℃～1200℃，碳化时间8～15小时。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术结合E-CVI、CVI及PIC工艺，制备出具有密度为1.8～1.9g/cm3之间的C/C复合材料。E-CVI和CVI沉积过程不损伤碳纤维并且制备的热解碳界面强度适中。PIC工艺进一步致密化使得材料具有1％～2％的孔隙率。低的孔隙率也使得树脂炭与热解碳紧密结合有利于力的传导，提高材料的力学性能。(2)本专利技术与传统制备工艺相比，所制备的高性能、高密度C/C复合材料(1.8～1.9g/cm3)，可满足军用市场需求，其制备周期仅为400～500小时，制备周期缩短50％，成本仅为CVI工艺制备成本的1/3。(3)本专利技术所制备的中间密度C/C复合材料(1.45～1.65g/cm3)，可满足民用市场需求，其制备周期仅为200～300小时，成本仅为CVI工艺制备成本的1/5。(4)本专利技术为高性能碳/碳复合材料(C/C复合材料)的短周期、低成本制备方法，该方法的实施可拓展该类复合材料在航空航天、核工业、电子工业、工业炉行业、汽车工业进行应用。附图说明图1为本专利技术高性能、高密度C/C复合材料制备流程。图2为实施例1微观结构图；其中：(a)和(b)为放大不同倍数的视图。图3为实施例2拉伸和弯曲强度曲线；其中：(a)拉伸强度；(b)弯曲强度。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步说明。本专利技术为为高性能碳/碳复合材料(C/C复合材料)的短周期、低成本制备方法，其制备过程如下：(1)界面层的制备采用CVI工艺，将碳纤维预制体置于ICVI炉中进行界面层的制备，界面层厚度范本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种短周期、低成本制备高性能碳/碳复合材料的方法，其特征在于：该方法是采用电耦合化学气相渗工艺与液相浸渍‑碳化工艺相结合制备碳/碳复合材料，该方法包括如下步骤：(1)界面层的制备：采用等温化学气相渗工艺，将碳纤维预制体置于ICVI沉积炉中进行界面层的制备，界面层厚度0.3～2μm；(2)采用电耦合化学气相渗工艺制备低密度C/C复合材料；(3)采用液相浸渍‑碳化工艺制备高性能、高密度C/C复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种短周期、低成本制备高性能碳/碳复合材料的方法，其特征在于：该方法是采用电耦合化学气相渗工艺与液相浸渍-碳化工艺相结合制备碳/碳复合材料，该方法包括如下步骤：(1)界面层的制备：采用等温化学气相渗工艺，将碳纤维预制体置于ICVI沉积炉中进行界面层的制备，界面层厚度0.3～2μm；(2)采用电耦合化学气相渗工艺制备低密度C/C复合材料；(3)采用液相浸渍-碳化工艺制备高性能、高密度C/C复合材料。2.根据权利要求1所述的短周期、低成本制备高性能碳/碳复合材料的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述碳纤维预制体采用2D针刺结构、2.5D编织结构、3D编织结构或细编穿刺结构，用一层12K、1K、3K或6K的PANCF无纬布与一层12K的PANCF网胎交替铺层；无纬布为0/90°铺层，1.X+1.Y方式连续针刺而成。3.根据权利要求1所述的短周期、低成本制备高性能碳/碳复合材料的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述等温化学气相渗工艺参数为：原料气体中以Ar或者N2为稀释气体，稀释气体流量0.01～0.5m3/h，以液化天然气、甲烷或丙烷为碳源气体，碳源气体流量0.01～0.5m3/h；沉积温度700～1100℃，沉积时间3-10h。4.根据权利要求1所述的短周期、低成本制备高性能碳/碳复合材料的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述电耦合化学气相渗工艺的过程为：将步骤(1)制备的带有界面层的样品置于带有水冷壁的化学气相沉积炉内并直接通电加热，纤维周围产生电磁场，由于预制体的隔热及外部气流和水冷壁的作用，预制体内形成温度梯度，从而使得沉积优先发生在中心，并逐渐向两侧推移，反应气体在电磁场、温度场和流体场的相互作用下实现快速沉积。5.根据权利要求4所述的短周期、低成本制备高性能碳/碳复合材料的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述电耦合化学气相渗工艺过程中，以Ar或者N2为稀释气体，稀释气体流量0.01～0.5m3/h，以液化天然气、甲烷或丙烷为碳源气体，碳源气体流量0.01～0.5m3/h...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤素芳，庞生洋，胡成龙，王石军，李建，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21