一种增密炭/炭复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种增密炭/炭复合材料及其制备方法。所述方法包括如下步骤：以丙烯作为碳源气，采用CVD沉积对碳纤维基体进行增密，采用梯度式升温沉积，温度范围为750‑1100℃；增密完成后，基体自然冷却；将有机溶剂与树脂混合均匀，得到浸渍混合物；惰性气氛下，将碳纤维预制置于浸渍混合物中进行三次浸渍‑炭化循环处理；处理完成后，继续进行高温石墨化处理，得到炭/炭复合材料。本发明专利技术方法采用多次浸渍‑炭化循环处理，结合石墨化工艺，制备出性能优异的炭/炭复合材料。本发明专利技术方法采用CVD沉积增密、含有PAA树脂的浸渍混合物、多次浸渍‑炭化循环处理，结合石墨化工艺，制备出具有高密度、优异力学性能的炭/炭复合材料。

A densified carbon / carbon composite and its preparation method

The invention discloses a densified carbon / carbon composite material and a preparation method thereof. The method comprises the following steps: using propylene as carbon source gas, CVD deposition is used to densify the carbon fiber matrix, gradient heating deposition is used, and the temperature range is 750 \u2011 1100 \u2103; after densification, the matrix cools naturally; mixing organic solvent and resin evenly to obtain the impregnation mixture; under inert atmosphere, carbon fiber is prefabricated in the impregnation mixture for three times After the treatment, the high temperature graphitization was continued to obtain the carbon / carbon composite. The method adopts multiple impregnation \u2011 carbonization cycle treatment and graphitization process to prepare carbon / carbon composite material with excellent performance. The method adopts CVD deposition densification, impregnation mixture containing PAA resin, multiple impregnation \u2011 carbonization cycle treatment and graphitization process to prepare carbon / carbon composite materials with high density and excellent mechanical properties.

【技术实现步骤摘要】
一种增密炭/炭复合材料及其制备方法
本专利技术属于材料领域，具体涉及一种增密炭/炭复合材料及其制备方法。
技术介绍
炭/炭复合材料（以下简称C/C）是一种新型高温结构材料，由于炭/炭复合材料的组成元素只有碳元素，因而其具有如炭和石墨材料的优点，如其密度小，比强度高，比之传统结构材料更为优越，这种复合材料随着温度的升高（可高达2200℃）其力学性能反而提高。C/C复合材料作为超高温结构材料在航空航天工业上得到广泛应用。密度是反映C/C复合材料优劣的重要的指标之一，只有密度达到一定程度的C/C复合材料才能在工程上得到实际应用。
技术实现思路
本专利技术提供一种增密炭/炭复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：（1）以丙烯作为碳源气，采用CVD沉积对碳纤维基体进行增密，采用梯度式升温沉积，温度范围为750-1100℃；CVD沉积增密完成后，将基体自然冷却；（2）步骤（1）完成后，惰性气氛下，将所述碳纤维基体置于浸渍混合物中进行浸渍-炭化处理：首次浸渍-炭化处理，浸渍温度300-400℃，压力2-3MPa，浸渍时间3-6小时，炭化温度1000-1100℃下恒温炭化0.5-1小时；首次浸渍-炭化处理完成后，自然冷却降温，进行第二次浸渍-炭化处理，浸渍温度400-500℃，压力3-4MPa，浸渍时间3-6小时，炭化温度1100-1200℃下恒温炭化0.5-1小时；第二次浸渍-炭化处理完成后，自然冷却降温，进行第三次浸渍-炭化处理，浸渍温度500-600℃，压力3-4MPa，浸渍时间3-6小时，炭化温度1100-1200℃下恒温炭化1-2小时；所述浸渍混合物中包括有机溶剂和树脂；（3）步骤（2）完成后，继续进行高温石墨化处理，得到炭/炭复合材料。根据本专利技术的技术方案，步骤（1）中所述碳纤维预制体的形式不限，其纤维骨架可以选自炭布叠层、针剌毡叠层、炭布-针剌毡混合叠层、炭毡等中的至少一种。其中，所述纤维骨架中所述炭纤维所占的体积百分比为10-50%，例如25-40%。根据本专利技术的技术方案，步骤（1）中，所述稀释气体为氮气。根据本专利技术的技术方案，步骤（1）中，所述沉积过程中的气氛压力为2000-8000Pa，优选3000-7500Pa。根据本专利技术的技术方案，步骤（1）中，所述碳源气的流量为2.5-4.0m3/(m2·h)，优选2.8-3.6m3/(m2·h)。根据本专利技术的技术方案，步骤（1）中，所述梯度式升温沉积包括：第一阶段温度为750-850℃，处理24-36h，气氛压力2500-3500Pa；第二阶段温度为850-950℃，处理15-30h，气氛压力3500-5500Pa；第三阶段温度为950-1100℃，处理24-36h，气氛压力6000-7500Pa。根据本专利技术的技术方案，步骤（2）中，所述有机溶剂为四氢呋喃、甲苯或N,N-二甲基甲酰胺，所述树脂为PAA树脂。进一步地，所述PAA树脂与有机溶剂的质量体积比为1:8-16，例如1:10-13。根据本专利技术的技术方案，步骤（2）中，所述浸渍的升温速率为1-2℃/分钟。根据本专利技术的技术方案，步骤（2）中，所述炭化的升温速率为1-2℃/分钟。根据本专利技术优选的技术方案，步骤（2）中所述首次浸渍-炭化处理，浸渍温度330-380℃，压力2-3MPa，浸渍时间3-4小时，炭化温度1040-1080℃下恒温炭化0.5-1小时。根据本专利技术优选的技术方案，步骤（2）中所述第二次浸渍-炭化处理，浸渍温度420-470℃，压力3.2-3.8MPa，浸渍时间4-6小时，炭化温度1130-1180℃下恒温炭化1小时。根据本专利技术优选的技术方案，步骤（2）中所述第三次浸渍-炭化处理，浸渍温度520-580℃，压力3.2-3.8MPa，浸渍时间4-6小时，炭化温度1130-1180℃下恒温炭化2小时。根据本专利技术的技术方案，步骤（3）中所述石墨化处理的温度为2200-2400℃，处理时间为2-3小时。根据本专利技术的技术方案，所述惰性气氛为氮气、氩气或氦气。本专利技术还提供由上述方法制备得到的炭/炭复合材料。本专利技术的有益效果：本专利技术方法采用CVD沉积增密、含有PAA树脂的浸渍混合物、多次浸渍-炭化循环处理，结合石墨化工艺，制备出具有高密度、优异力学性能的炭/炭复合材料。热梯度沉积增密、以及多次浸渍-炭化循环处理过程中，严格控制温度梯度和时间、炭化温度和时间、以及压力，得到的炭/炭复合材料的密度高，孔隙率低，力学性能优异。本专利技术所涉及的原料易得，工艺简单，生产周期短，生产成本低。具体实施方式下文将结合具体实施例对本专利技术的技术做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本专利技术，而不应被解释为对本专利技术保护范围的限制。凡基于本专利技术上述内容所实现的技术均涵盖在本专利技术旨在保护的范围内。除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。实施例1炭/炭复合材料的制备方法包括如下步骤：（1）以丙烯作为碳源气，碳源气的流量为3.0m3/(m2·h)，氮气作为稀释气体，采用CVD沉积对碳纤维基体（纤维骨架为炭布叠层，炭纤维体积百分比为25%）进行增密，采用梯度式升温沉积：第一阶段温度为780℃，处理30h，气氛压力3000Pa；第二阶段温度为900℃，处理25h，气氛压力4500Pa；第三阶段温度为1000℃，处理36h，气氛压力7500Pa；CVD沉积增密完成后，将基体自然冷却；（2）将N,N-二甲基甲酰胺与PAA树脂按照体积质量8:1（mL/g）混合均匀，得到浸渍混合物；（3）步骤（1）完成后，氮气气氛下，将碳纤维预制置于步骤（2）的浸渍混合物中进行浸渍-炭化处理：首次浸渍-炭化处理，浸渍温度350℃，压力2MPa，浸渍时间5小时，炭化温度1050℃下恒温炭化1小时；首次浸渍-炭化处理完成后，自然冷却降温，进行第二次浸渍-炭化处理，浸渍温度450℃，压力4MPa，浸渍时间6小时，炭化温度1150℃下恒温炭化1小时；第二次浸渍-炭化处理完成后，自然冷却降温，进行第三次浸渍-炭化处理，浸渍温度550℃，压力4MPa，浸渍时间5小时，炭化温度1200℃下恒温炭化1小时；其中，浸渍和炭化的升温速率为1℃/分钟；（4）步骤（3）完成后，继续进行高温石墨化处理，温度2300℃处理时间为2.6小时，得到炭/炭复合材料。实施例2炭/炭复合材料的制备方法包括如下步骤：（1）以丙烯作为碳源气，碳源气的流量为3.5m3/(m2·h)，氮气作为稀释气体，采用CVD沉积对碳纤维基体（纤维骨架为炭布-针剌毡混合叠层，炭纤维体积百分比为30%）进行增密，采用梯度式升温沉积：第一阶段温度为800℃，处理36h，气氛压力3500Pa；第二阶段温度为950℃，处理30h，气氛压力5500Pa；第三阶段温度为1100℃，处理24h，气氛压力7000Pa本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增密炭/炭复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：/n（1）以丙烯作为碳源气，采用CVD沉积对碳纤维基体进行增密，采用梯度式升温沉积，温度范围为750-1100℃；CVD沉积增密完成后，将基体自然冷却；/n（2）步骤（1）完成后，惰性气氛下，将所述碳纤维基体置于浸渍混合物中进行浸渍-炭化处理：首次浸渍-炭化处理，浸渍温度300-400℃，压力2-3MPa，浸渍时间3-6小时，炭化温度1000-1100℃下恒温炭化0.5-1小时；首次浸渍-炭化处理完成后，自然冷却降温，进行第二次浸渍-炭化处理，浸渍温度400-500℃，压力3-4MPa，浸渍时间3-6小时，炭化温度1100-1200℃下恒温炭化0.5-1小时；第二次浸渍-炭化处理完成后，自然冷却降温，进行第三次浸渍-炭化处理，浸渍温度500-600℃，压力3-4MPa，浸渍时间3-6小时，炭化温度1100-1200℃下恒温炭化1-2小时；/n所述浸渍混合物中包括有机溶剂和树脂；/n（3）步骤（2）完成后，继续进行高温石墨化处理，得到炭/炭复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种增密炭/炭复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
（1）以丙烯作为碳源气，采用CVD沉积对碳纤维基体进行增密，采用梯度式升温沉积，温度范围为750-1100℃；CVD沉积增密完成后，将基体自然冷却；
（2）步骤（1）完成后，惰性气氛下，将所述碳纤维基体置于浸渍混合物中进行浸渍-炭化处理：首次浸渍-炭化处理，浸渍温度300-400℃，压力2-3MPa，浸渍时间3-6小时，炭化温度1000-1100℃下恒温炭化0.5-1小时；首次浸渍-炭化处理完成后，自然冷却降温，进行第二次浸渍-炭化处理，浸渍温度400-500℃，压力3-4MPa，浸渍时间3-6小时，炭化温度1100-1200℃下恒温炭化0.5-1小时；第二次浸渍-炭化处理完成后，自然冷却降温，进行第三次浸渍-炭化处理，浸渍温度500-600℃，压力3-4MPa，浸渍时间3-6小时，炭化温度1100-1200℃下恒温炭化1-2小时；
所述浸渍混合物中包括有机溶剂和树脂；
（3）步骤（2）完成后，继续进行高温石墨化处理，得到炭/炭复合材料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述碳纤维基体的纤维骨架选自炭布叠层、针剌毡叠层、炭布-针剌毡混合叠层、炭毡中的至少一种。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述稀释气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：田成业，周磊，戴田，
申请(专利权)人：湖南金石新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43