回转体类炭/炭复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种回转体类炭/炭复合材料的制备方法，该方法包括：一、对芯模清洁后铺放脱模布并刷涂脱模剂；二、将连续炭纤维在刷涂脱模剂的芯模上进行缠绕，形成缠绕件；三、将缠绕件进行真空压力浸渍，脱模后经机加处理得到浸渍件；四、对浸渍件的外表面施加定型工装并进行内加压热处理，得到回转体类炭/炭复合材料坯体；五、对回转体类炭/炭复合材料坯体进行强化，得到回转体类炭/炭复合材料。本发明专利技术通过引入沥青并采用外定形的内加压热处理工艺和强化处理达到目标产物厚度，增加了回转体类炭/炭复合材料中的炭纤维体积含量，提高了回转体类炭/炭复合材料的性能，缩短了增密周期，提高了回转体类炭/炭复合材料的制备效率。

Preparation of carbon like / carbon like composite materials with gyration

【技术实现步骤摘要】
回转体类炭/炭复合材料的制备方法
本专利技术属于复合材料制备
，具体涉及回转体类炭/炭复合材料的制备方法。
技术介绍
炭/炭复合材料是炭纤维增强炭基体的复合材料,具有高强高模、比重轻、热膨胀系数小、抗腐蚀、抗热冲击、耐摩擦性能好、化学稳定性好等一系列优异性能,是一种新型的超高温复合材料。其中回转体类炭/炭复合材料已以炭/炭坩埚、炭/炭热压模具等产品形式广泛地应用于单晶硅提拉、先进陶瓷热压等民用领域。尽管炭/炭复合材料具有众多优异的性能，但由于价格昂贵的原因，目前在民用领域主要应用在其它材料难以替代的苛刻工作环境下。炭/炭复合材料制造周期长、成本高的特点很大程度上限制了这种优秀材料在国民经济各领域的广泛应用。近十多年来，在兼顾结构性能的同时，缩短制造周期、降低成本、扩大应用范围成为炭/炭复合材料领域主攻的研究重点。缠绕/卷绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连续纤维(或布带、预浸纱)按照一定规律缠绕/卷绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得产品。应用缠绕/卷绕成型工艺获得的炭/炭复合材料具有比强度高、结构可设计性好、生产效率和产品可靠性高、原料成本低的特点。申请号为200610104824.9的专利公开了一种C/C复合材料导电螺纹杆的制备方法，采用“轴向碳纤维棒+碳纤维缠绕/卷绕环向螺纹”预制体，通过化学气相沉积和液相浸渍/炭化等增密手段，最终得到高密度C/C复合材料导电螺纹杆。申请号为201280038583.6的专利公开了一种提高缠绕/卷绕成型复合材料层间结合强度的方法，通过不同层的缠绕/卷绕角度变化，使层间纤维发生镶嵌从而实现层间结合强度的提高。申请号为201310336558.2的专利公开了一种应用缠绕/卷绕成型技术的炭/炭坩埚制作方法，通过将炭纤维在芯模的的表面进行逐层缠绕/卷绕成型，制得坩埚预制体，然后对坩埚预制体进行坩埚固化及坩埚增密处理，最终制得密度≥1.70g/cm3的炭/炭坩埚成品。申请号为201510103863.6的专利涉及一种高强度轻质碳/碳复合材料的制备方法，通过对纤维的预处理和对树脂的混合改性，应用缠绕/卷绕成型工艺所获得的高强度轻质碳/碳复合材料拉伸强度达到800MPa以上，热导率为500W/(m·K)～530W/(m·K)，热扩散率为4.4cm2/s。通过以上专利可以看出，缠绕/卷绕成型炭/炭复合材料能够获得优异的力学性能。同时，在保证性能的同时缩短制备周期进而实现高效制备方面，目前并没有完整的制备方法的相关研究。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种回转体类炭/炭复合材料的制备方法。该方法制备厚度大于目标产物回转体类炭/炭复合材料厚度的缠绕体，然后引入沥青并采用外定形的内加压热处理工艺和强化处理达到目标产物厚度，从而增加了回转体类炭/炭复合材料中的炭纤维体积含量，提高了回转体类炭/炭复合材料的性能，缩短了后续工艺中的增密周期，进而提高了回转体类炭/炭复合材料的制备效率。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：回转体类炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、芯模准备：采用清洗剂对芯模的外表面进行清洁，然后在清洁后的芯模的外表面铺放脱模布并在脱模布上刷涂脱模剂；步骤二、碳纤维缠绕：采用缠绕机将连续炭纤维在步骤一中刷涂脱模剂的芯模上进行缠绕，并在芯模上形成缠绕件；所述缠绕件的厚度大于目标产物回转体类炭/炭复合材料的厚度；步骤三、真空压力浸渍：将步骤二中得到的缠绕件连同芯模埋入沥青中，然后放置于真空压力浸渍炉进行真空压力浸渍，脱模后进行内外型面机加处理，得到浸渍件；步骤四、内加压热处理：对步骤三中得到的浸渍件的外表面施加定型工装，并在浸渍件的内部放入或通入传压介质材料，然后通过传压介质材料对浸渍件及定型工装进行内加压热处理，使得浸渍件的内径和外径同时增大且外径的增大值小于内径的增大值，从而浸渍件的厚度减小，得到回转体类炭/炭复合材料坯体；所述内加压热处理的过程为：对浸渍件进行内部加压并对浸渍件及定型工装进行热处理，当热处理的温度升至浸渍件中沥青软化温度时，加大压力并保压，再在保压状态下升温依次进行炭化和石墨化；所述回转体类炭/炭复合材料坯体的厚度不小于目标产物回转体类炭/炭复合材料的厚度；步骤五、强化处理：对步骤四中得到的回转体类炭/炭复合材料坯体进行强化，得到回转体类炭/炭复合材料；所述强化的方法为增密处理或/和制备涂层处理，所述增密处理采用树脂液相浸渍炭化或化学气相渗透，所述制备涂层处理采用化学气相沉积或刷涂。本专利技术采用在芯模上缠绕成型的方法制备得到厚度大于目标产物回转体炭/炭复合材料的缠绕件，有利于避免纤维损失，提高纤维强度发挥率，然后进行真空压力浸渍引入沥青得到浸渍件，再在其外表面施加定型工装以限制变形，进行外定形的内加压热处理，使浸渍件的内、外径在同时增大的前提下，浸渍件外径增大值小于内径增大值，从而得到厚度发生减小、但不小于最终产品厚度的回转体类炭/炭复合材料坯体，在该内加压热处理过程中，当加热至沥青软化且成低粘度状态时进行内加压，沥青和炭纤维在内型面径向压力的作用下进行环向方向的流动/滑移及重新排布，由于浸渍件外径被定型工装限制而不能自由改变，因此浸渍件厚度变小，沥青对纤维的浸渍更为充分且分布更为均匀，纤维充分舒展且呈现拉应力状态，进一步提高了纤维强度发挥率；随着浸渍件的压缩，炭纤维体积含量增大，沥青的含量随之减小，由于沥青热处理过程中会产生缺陷，因此沥青体积含量的减少有利于后续热处理过程中缺陷数量的减少，从而提高纤维层间结合性能；当炭化和石墨化过程中进行内加压时，使得沥青在受压状态下发生相应结构转变，有利于提高回转体类炭/炭复合材料坯体中的残炭率，通过内加压热处理获得的炭化件和/或石墨件密度较高，避免或缩短了后续增密周期，由于定型工装的限制作用，本专利技术实现了净成型制造，有效缩减了机加工周期，从而提高了回转体类炭/炭复合材料的制备效率，同时有利于避免机加工工序对产品表面造成的损伤，有利于回转体类炭/炭复合材料性能的提升。上述的回转体类炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述芯模的外表面形状与目标产物回转体类炭/炭复合材料的内表面形状相同或类似。在芯模准备过程中，根据目标产物回转体类炭/炭复合材料的结构设计以及后续内加压热处理过程中纤维材料的形变规律设计制备芯模，因此，优选芯模的内表面形状与目标产物回转体类炭/炭复合材料的外表面形状相同或类似，有利于目标产物的快速成型及脱模，提高制备效率。上述的回转体类炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述连续炭纤维为PAN基炭纤维、沥青基炭纤维和黏胶基炭纤维的一种或两种以上。采用上述优选材质满足了不同用途的回转体类炭/炭复合材料的制备，包括结构件和功能件，而使用不同种类炭纤维的组合，有利于扩大本专利技术回转体类炭/炭复合材料的应用范围。上述的回转体类炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述缠绕的方式为螺旋缠绕或者环向螺旋交替缠绕，其中，环向缠绕的角度为85°～89°，螺旋缠绕的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.回转体类炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n步骤一、芯模准备：采用清洗剂对芯模的外表面进行清洁，然后在清洁后的芯模的外表面铺放脱模布并在脱模布上刷涂脱模剂；/n步骤二、碳纤维缠绕：采用缠绕机将连续炭纤维在步骤一中刷涂脱模剂的芯模上进行缠绕，并在芯模上形成缠绕件；所述缠绕件的厚度大于目标产物回转体类炭/炭复合材料的厚度；/n步骤三、真空压力浸渍：将步骤二中得到的缠绕件连同芯模埋入沥青中，然后放置于真空压力浸渍炉进行真空压力浸渍，脱模后进行内外型面机加处理，得到浸渍件；/n步骤四、内加压热处理：对步骤三中得到的浸渍件的外表面施加定型工装，并在浸渍件的内部放入或通入传压介质材料，然后通过传压介质材料对浸渍件及定型工装进行内加压热处理，使得浸渍件的内径和外径同时增大且外径的增大值小于内径的增大值，从而浸渍件的厚度减小，得到回转体类炭/炭复合材料坯体；所述内加压热处理的过程为：对浸渍件进行内部加压并对浸渍件及定型工装进行热处理，当热处理的温度升至浸渍件中沥青软化温度时，加大压力并保压，再在保压状态下升温依次进行炭化和石墨化；所述回转体类炭/炭复合材料坯体的厚度不小于目标产物回转体类炭/炭复合材料的厚度；/n步骤五、强化处理：对步骤四中得到的回转体类炭/炭复合材料坯体进行强化，得到回转体类炭/炭复合材料；所述强化的方法为增密处理或/和制备涂层处理，所述增密处理采用树脂液相浸渍炭化或化学气相渗透，所述制备涂层处理采用化学气相沉积或刷涂。/n...

【技术特征摘要】
1.回转体类炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、芯模准备：采用清洗剂对芯模的外表面进行清洁，然后在清洁后的芯模的外表面铺放脱模布并在脱模布上刷涂脱模剂；
步骤二、碳纤维缠绕：采用缠绕机将连续炭纤维在步骤一中刷涂脱模剂的芯模上进行缠绕，并在芯模上形成缠绕件；所述缠绕件的厚度大于目标产物回转体类炭/炭复合材料的厚度；
步骤三、真空压力浸渍：将步骤二中得到的缠绕件连同芯模埋入沥青中，然后放置于真空压力浸渍炉进行真空压力浸渍，脱模后进行内外型面机加处理，得到浸渍件；
步骤四、内加压热处理：对步骤三中得到的浸渍件的外表面施加定型工装，并在浸渍件的内部放入或通入传压介质材料，然后通过传压介质材料对浸渍件及定型工装进行内加压热处理，使得浸渍件的内径和外径同时增大且外径的增大值小于内径的增大值，从而浸渍件的厚度减小，得到回转体类炭/炭复合材料坯体；所述内加压热处理的过程为：对浸渍件进行内部加压并对浸渍件及定型工装进行热处理，当热处理的温度升至浸渍件中沥青软化温度时，加大压力并保压，再在保压状态下升温依次进行炭化和石墨化；所述回转体类炭/炭复合材料坯体的厚度不小于目标产物回转体类炭/炭复合材料的厚度；
步骤五、强化处理：对步骤四中得到的回转体类炭/炭复合材料坯体进行强化，得到回转体类炭/炭复合材料；所述强化的方法为增密处理或/和制备涂层处理，所述增密处理采用树脂液相浸渍炭化或化学气相渗透，所述制备涂层处理采用化学气相沉积或刷涂。


2.根据权利要求1所述的回转体类炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述芯模的外表面形状与目标产物回转体类炭/炭复合材料的内表面形状相同或类似。


3.根据权利要求1所述的回转体类炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述连续炭纤维为PAN基炭纤维、沥青基炭纤维和黏胶基炭纤维的一种或两种以上。


4.根据权利要求1所述的回转体类炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述缠绕的方式为螺旋缠绕或者环向螺旋交替缠绕，其中，环向缠绕的角度为85°～89°，螺旋缠绕的角度为20°～85°，所述环向螺旋交替缠绕过程中，通过缠绕机的控制主机对缠绕机的机头进行自动控制，在不割断连续炭纤维的条件下使连续炭纤维的缠绕方向由螺旋缠绕方向逐渐自动转换为环向缠绕方向，或者由环向缠绕方向逐渐自动转换为螺旋缠绕方向，以实现螺旋缠绕层与环向缠绕层之间的连续过渡。

【专利技术属性】
技术研发人员：赵松，程皓，彭志刚，张灵玉，党瑞萍，张永辉，
申请(专利权)人：西安超码科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61