一种碳纤维预制体及其制备方法、碳/碳复合材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种碳纤维预制体及其制备方法、碳/碳复合材料的制备方法，涉及复合材料技术领域。本发明专利技术提供的碳纤维预制体包括若干叠层设置的碳纤维布以及设置在两相邻碳纤维布之间的预应力层；所述预应力层包括硼酚醛树脂涂层以及分布在所述硼酚醛树脂涂层内的碳纤维束。本发明专利技术通过在2D叠层预制体中加入碳纤维束和硼酚醛树脂前驱体，形成预应力层，从而在碳化的过程中抵消内应力，得到具有更高强度、不易开裂的碳/碳复合材料。不易开裂的碳/碳复合材料。不易开裂的碳/碳复合材料。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维预制体及其制备方法、碳/碳复合材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及复合材料
，具体涉及一种碳纤维预制体及其制备方法、碳/碳复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]碳纤维增强碳基体复合材料(碳/碳复合材料)，是以碳纤维或者碳纤维编织体为增强材料，以石墨或碳为基体，通过加工得到的一种高强度复合材料。碳/碳复合材料具有轻质、高比强度、高比模量、低膨胀系数、耐热冲击等诸多优异性能，因此被广泛地应用于制造洲际导弹头的鼻锥帽、飞机的制动器、固体火箭喷管的喉衬及扩张段、航天飞机的鼻锥帽和机翼前缘等。
[0003]制备碳/碳复合材料最常用的工艺方法是化学气相沉积法和前驱体浸渍裂解法两种，其中前驱体浸渍裂解法是将多孔碳纤维编织件作为预制体，沥青或聚合物作为前驱体，通过液相浸渍使液态的前驱体充分渗入到多孔预制体中，在高温下前驱体发生裂解反应，生成热解碳，最终形成碳/碳复合材料。现有的碳纤维预制体包括2D碳纤维预制体、2.5D碳纤维预制体和3D碳纤维预制体。但是这些碳纤维预制体在高温下生成热解碳时都会由于体积膨胀导致内应力的产生，从而使制备出的碳/碳复合材料的性能遭到破坏，更严重的甚至会发生开裂。
[0004]中国专利CN105859303A公开了一种碳/碳复合材料预制体，该方案采用短碳纤维，用原位聚合的方法将酚醛基纳米胶引入短碳纤维预制体内部，碳化后转化为纳米碳胶，形成三维连续的纳米碳骨架。该方法操作方便，周期短，但是制备的预制体无法解决预制体在碳化过程中随着密度的增加，其体积膨胀导致内应力的产生，从而导致力学性能下降的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种碳纤维预制体及其制备方法、碳/碳复合材料的制备方法，本专利技术提供的碳纤维预制体能够在碳化的过程中抵消内应力，得到力学性能更加优异、不易开裂的碳/碳复合材料。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种碳纤维预制体，包括若干叠层设置的碳纤维布以及设置在两相邻碳纤维布之间的预应力层；所述预应力层包括硼酚醛树脂涂层以及分布在所述硼酚醛树脂涂层内的碳纤维束。
[0008]优选地，所述碳纤维布的厚度为0.1～0.2mm；所述预应力层的厚度为1.0～3.0mm。
[0009]优选地，所述预应力层中碳纤维束的质量含量为1.5～2.5％；所述预应力层中硼酚醛树脂的质量含量为97.5～98.5％。
[0010]本专利技术提供了上述技术方案所述碳纤维预制体的制备方法，包括以下步骤：
[0011](1)将硼酚醛树脂浆料涂覆在碳纤维布的上表面，得到湿硼酚醛树脂涂层；
[0012](2)在所述湿硼酚醛树脂涂层中放入弯曲的碳纤维束，得到湿预应力层；
[0013](3)在所述湿预应力层的上表面放置另一块碳纤维布；
[0014](4)至少重复步骤(1)～(3)一次，将所得湿预制体进行固化，得到碳纤维预制体。
[0015]优选地，步骤(1)所述硼酚醛树脂浆料中的硼酚醛树脂与碳纤维布的质量比为3～5:2。
[0016]优选地，步骤(1)所述硼酚醛树脂浆料中硼酚醛树脂的质量含量为50～75％。
[0017]优选地，步骤(2)所述碳纤维束的弯曲弧度为1.0～3.0rad。
[0018]优选地，步骤(2)所述碳纤维束的直径为0.45～0.55mm；所述碳纤维束的数量为5～10束；所述碳纤维束的纤维密度为1.76～1.80g/cm3。
[0019]本专利技术提供了一种碳/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：将碳纤维预制体进行碳化处理，得到碳/碳复合材料；所述碳纤维预制体为上述技术方案所述碳纤维预制体或上述技术方案所述制备方法制备得到的碳纤维预制体。
[0020]优选地，所述碳化处理的温度为800～850℃，保温时间为3～4h；所述碳化处理在保护性气氛条件下进行。
[0021]本专利技术提供了一种碳纤维预制体，包括若干叠层设置的碳纤维布以及设置在两相邻碳纤维布之间的预应力层；所述预应力层包括硼酚醛树脂涂层以及分布在所述硼酚醛树脂涂层内的碳纤维束。本专利技术通过在2D叠层预制体中加入碳纤维束和硼酚醛树脂前驱体，形成预应力层，从而在碳化的过程中抵消内应力，得到具有更高强度、不易开裂的碳/碳复合材料。
[0022]本专利技术还提供了上述技术方案所述碳纤维预制体的制备方法，本专利技术以硼酚醛树脂作为前驱体，通过将碳纤维布叠层处理，在碳纤维层间涂抹硼酚醛树脂，并加入弯曲的碳纤维束形成预应力层，制备出含有预应力层的碳纤维预制体。在碳/碳复合材料的制备过程中，含有预应力层的碳纤维预制体可以在高温下抵消因体积膨胀而产生的内应力，提高制备出的碳/碳复合材料的力学性能，并且避免因内应力导致复合材料的开裂。
附图说明
[0023]图1为碳纤维布和碳纤维束进行除浆的工艺流程图；
[0024]图2为碳纤维预制体的制备工艺流程图；
[0025]图3为碳纤维预制体的结构示意图；
[0026]图4为碳纤维预制体的俯视图；
[0027]图3～4中，1为碳纤维布；2为硼酚醛树脂涂层；3为碳纤维束。
具体实施方式
[0028]本专利技术提供了一种碳纤维预制体，包括若干叠层设置的碳纤维布以及设置在两相邻碳纤维布之间的预应力层；所述预应力层包括硼酚醛树脂涂层以及分布在所述硼酚醛树脂涂层内的碳纤维束。
[0029]本专利技术提供的碳纤维预制体包括若干叠层设置的碳纤维布。在本专利技术中，所述碳纤维布的层数优选为5～10层。在本专利技术中，所述碳纤维布的厚度优选为0.1～0.2mm，更优选为0.18mm；所述碳纤维布的纤维密度优选为1.76～1.80g/cm3。在本专利技术中，所述碳纤维
布优选为平纹碳纤维布。
[0030]本专利技术提供的碳纤维预制体包括设置在两相邻碳纤维布之间的预应力层。在本专利技术中，所述预应力层的厚度优选为1.0～3.0mm，更优选为2.0mm。
[0031]在本专利技术中，所述预应力层包括硼酚醛树脂涂层以及分布在所述硼酚醛树脂涂层内的碳纤维束。在本专利技术中，所述碳纤维束在硼酚醛树脂涂层中的位置优选为中心位置。在本专利技术中，所述碳纤维束的弯曲弧度优选为1.0～3.0rad，更优选为1.79～1.83rad。在本专利技术中，所述弯曲弧度指的是弧长除以半径得到的弧度值。在本专利技术中，所述碳纤维束的直径优选为0.45～0.55mm，更优选为0.50mm；所述碳纤维束的数量优选为5～10束，更优选为5束；所述碳纤维束的纤维密度优选为1.76～1.80g/cm3。
[0032]在本专利技术中，所述预应力层中碳纤维束的质量含量优选为1.5～2.5％，更优选为2.0～2.3％；所述预应力层中硼酚醛树脂的质量含量优选为97.5～98.5％，更优选为97.7～98.0％。
[0033]本专利技术在碳纤维布层间增加预应力层，从而抵消制备碳/碳复合材料过程中产生的内应力，获得具有更高强度的碳/碳复合材料。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维预制体，其特征在于，包括若干叠层设置的碳纤维布以及设置在两相邻碳纤维布之间的预应力层；所述预应力层包括硼酚醛树脂涂层以及分布在所述硼酚醛树脂涂层内的碳纤维束。2.根据权利要求1所述的碳纤维预制体，其特征在于，所述碳纤维布的厚度为0.1～0.2mm；所述预应力层的厚度为1.0～3.0mm。3.根据权利要求1或2所述的碳纤维预制体，其特征在于，所述预应力层中碳纤维束的质量含量为1.5～2.5％；所述预应力层中硼酚醛树脂的质量含量为97.5～98.5％。4.权利要求1～3任一项所述碳纤维预制体的制备方法，包括以下步骤：(1)将硼酚醛树脂浆料涂覆在碳纤维布的上表面，得到湿硼酚醛树脂涂层；(2)在所述湿硼酚醛树脂涂层中放入弯曲的碳纤维束，得到湿预应力层；(3)在所述湿预应力层的上表面放置另一块碳纤维布；(4)至少重复步骤(1)～(3)一次，将所得湿预制体进行固化，得到碳纤维预制体。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李爱军，宁立新，康治伟，李志伟，陈立全，刘立起，贾林涛，王梦千，
申请(专利权)人：上海大学绍兴研究院，
类型：发明
国别省市：