一种高强度炭/炭复合材料的快速制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强度炭/炭复合材料的快速制备方法，该方法包括：一、加工得到耐高温缠绕芯模；二、采用浸渍催化剂水溶液的连续炭纤维进行缠绕；三、化学气相沉积得到炭纤维表面生长有碳纳米管的缠绕件；四、增密处理得到增密缠绕件；步骤五、高温处理得到高温处理缠绕件；六、脱模得到高强度炭/炭复合材料缠绕成型件；七、表面处理得到高强度炭/炭复合材料。本发明专利技术采用浸渍催化剂水溶液的连续炭纤维为原料，结合化学气相沉积工艺，使得缠绕预制件内部沿着孔隙原位生长碳纳米管，在不损伤炭纤维、充分发挥炭纤维强度的同时，起到了连接强化炭纤维/炭纤维束的作用，提高了缠绕预制件层间结合性能以及炭/炭复合材料的强度。层间结合性能以及炭/炭复合材料的强度。层间结合性能以及炭/炭复合材料的强度。

【技术实现步骤摘要】
一种高强度炭/炭复合材料的快速制备方法


[0001]本专利技术属于复合材料制备
，具体涉及一种高强度炭/炭复合材料的快速制备方法。

技术介绍

[0002]缠绕成型炭/炭复合材料产品具有纤维增强体体积含量高、纤维强度保持率较高、结构可设计性强的优点，具有高强度炭/炭复合材料的制备和工程化应用潜力。但是，由于通过常规缠绕成型工艺获得的炭/炭复合材料为二维结构，垂直纤维缠绕的方向缺少增强相，层间结合较弱，在后续制备和应用过程中容易发生分层、鼓包等缺陷，从而使缠绕成型炭/炭复合材料难以作为整体发挥出优异的综合性能。
[0003]申请号为201811299908.1的专利公开了一种新型长寿命炭/炭复合材料坩埚预制体的制作方法，以连续炭纤维单纱为原料，通过多次交替重复连续缠绕、包覆和整体连续缠绕并逐层进行针刺，较好地解决了缠绕成型炭/炭复合材料的层间结合性能，增强了坩埚预制体的整体性，提高了炭/炭坩埚的环向拉伸强度，解决了坩埚纵向开裂的问题，延长了炭/炭坩埚的使用寿命。申请号为201510237415.5的专利公开了一种Zpin连接纤维复合材料喷管预制体成型方法，采用超声波等手段将炭棒沿厚度方向插入缠绕层，与针刺技术相比，Z
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pin的连接效果明显，同时降低了对基体材料的损伤程度。尽管以上技术均在一定程度上改善了缠绕成型炭/炭复合材料的层间结合性能，但很明显的，不管使用针刺技术，或者Zpin技术，都是将层间增强纤维通过外力方式强行插入，不可避免的会对密实的缠绕炭纤维形成损伤，即在提高层间结合性能的同时，会导致纤维强度发挥率下降，从而削弱环向拉伸强度、轴向拉伸强度等性能。

技术实现思路

[0004]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，提供一种高强度炭/炭复合材料的快速制备方法。该方法采用浸渍催化剂水溶液的连续炭纤维为原料，结合化学气相沉积工艺，使得缠绕预制件内部沿着孔隙原位生长碳纳米管，在不损伤炭纤维、充分发挥炭纤维强度的同时，起到了连接强化炭纤维/炭纤维束的作用，大大提高了缠绕预制件层间结合性能，从而提高了炭/炭复合材料的强度。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种高强度炭/炭复合材料的快速制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0006]步骤一、芯模准备：根据目标产物炭/炭复合材料，加工得到耐高温缠绕芯模；所述耐高温缠绕芯模的外型面结构与目标产物炭/炭复合材料的内型面结构相似，且耐高温缠绕芯模的外型面尺寸小于目标产物炭/炭复合材料内型面尺寸；
[0007]步骤二、催化剂负载/预制件缠绕成型一体化：将步骤一中得到的耐高温缠绕芯模安装在缠绕机上，并在耐高温缠绕芯模表面铺放厚度为0.01mm～2mm的石墨膜或石墨纸作为脱模层，然后启动缠绕机，调节耐高温缠绕芯模的旋转速度及缠绕角度，采用1～8束浸渍
催化剂水溶液的连续炭纤维按照线型设计进行缠绕，直至达到设计厚度，得到炭纤维表面负载有催化剂的缠绕预制件；所述催化剂水溶液为Ni(NO3)2、Fe(NO3)2和Co(NO3)2中的一种或两种以上催化组分的水溶液，且当催化剂水溶液中催化组分为一种时，催化组分的质量浓度为1％～5％，当催化剂水溶液中对华组分为两种以上时，催化组分的总质量浓度不超过5％；
[0008]步骤三、原位合成碳纳米管：将步骤二中得到的炭纤维表面负载有催化剂的缠绕预制件连同耐高温缠绕芯模进行干燥去除水分，然后放入Ar或N2气氛沉积炉中，在500Pa～10KPa的压力、700℃～1000℃恒温下通入甲烷、乙烷或乙炔，并同时通入还原性气体H2，进行化学气相沉积5min～30min，得到炭纤维表面生长有碳纳米管的缠绕件；
[0009]步骤四、增密处理：采用树脂浸渍裂解工艺或化学气相沉积工艺对步骤三中得到的炭纤维表面生长有碳纳米管的缠绕件进行增密处理，得到增密缠绕件；
[0010]所述树脂浸渍裂解工艺进行增密处理的具体过程为：将炭纤维表面生长有碳纳米管的缠绕件连同耐高温缠绕芯模放入真空压力树脂浸渍固化炉中，先在1KPa～50KPa的真空度下浸渍2h～8h，然后在0.8MPa～2.0MPa的压力、180℃～250℃的温度下固化3h～6h，再转入炭化炉中在800℃～1100℃的温度下炭化3h～5h；
[0011]所述化学气相沉积工艺进行增密处理的具体过程为：将炭纤维表面生长有碳纳米管的缠绕件连同耐高温缠绕芯模放入化学气相沉积设备中，在1KPa～20KPa的压力、900℃～1200℃的温度下充入碳源气体丙烯或乙炔以及稀释气体氩气或氮气，进行沉积15h～200h；
[0012]步骤五、高温处理：将步骤四中得到的增密缠绕件连同耐高温缠绕芯模装入石墨化炉中，然后在惰性气氛氮气或氩气保护下、1800℃～2700℃的温度下进行高温处理3h～8h，得到高温处理缠绕件；
[0013]步骤六、脱模处理：采用脱模工装对步骤五中得到的高温处理缠绕件进行脱模，得到高强度炭/炭复合材料缠绕成型件；
[0014]步骤七、表面处理：将步骤六中得到的高强度炭/炭复合材料缠绕成型件进行表面处理，得到高强度炭/炭复合材料；所述表面处理为机加工艺、化学气相沉积涂层工艺和卤素纯化工艺中的一种或两种以上；
[0015]所述机加工艺的过程为：采用车床、铣床或磨床机加设备对高强度炭/炭复合材料缠绕成型件进行表面精机加工处理；
[0016]所述化学气相沉积涂层工艺的过程为：将高强度炭/炭复合材料缠绕成型件放入化学气相沉积设备中，在1KPa～20KPa的压力、900℃～1200℃的温度下充入碳源气体丙烯、乙炔和硅源气体一甲基三氯硅烷中的一种或两种以上，以及稀释气体氩气、氮气或氢气，进行沉积10h～20h；
[0017]所述卤素纯化工艺的过程为：将高强度炭/炭复合材料缠绕成型件放入纯化炉中，采用氯气或/和氟利昂作为纯化气体，在2000℃～2500℃的温度下纯化3h～5h。
[0018]本专利技术采用浸渍催化剂水溶液的连续炭纤维在耐高温缠绕芯模上缠绕成型，得到炭纤维表面负载有催化剂的缠绕预制件，然后通过化学气相沉积工艺，使得缠绕预制件内部原位生长碳纳米管，且碳纳米管沿着缠绕预制件的内部孔隙生长，避免了对密实的缠绕炭纤维造成损伤，在不损伤炭纤维、充分发挥炭纤维强度的同时，起到了连接强化炭纤维/
炭纤维束的作用，大大提高了缠绕预制件层间结合性能，从而提高了炭/炭复合材料的强度；再通过后续增密处理、高温处理及表面处理工艺，实现高强度缠绕成型炭/炭复合材料的快速制备。
[0019]上述的一种高强度炭/炭复合材料的快速制备方法，其特征在于，步骤一中所述耐高温缠绕芯模的材质为石墨或炭/炭复合材料，所述耐高温缠绕芯模的外型面尺寸与目标产物炭/炭复合材料内型面的尺寸差值为目标产物炭/炭复合材料在制备工艺中的径向膨胀量，且径向膨胀量为0.5mm～6mm。本专利技术通过上述耐高温缠绕芯模的材质和外形面结构、尺寸限定，保证了后续催化剂负载/预制件缠绕成型一体化的顺利进行，且为浸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强度炭/炭复合材料的快速制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、芯模准备：根据目标产物炭/炭复合材料，加工得到耐高温缠绕芯模；所述耐高温缠绕芯模的外型面结构与目标产物炭/炭复合材料的内型面结构相似，且耐高温缠绕芯模的外型面尺寸小于目标产物炭/炭复合材料内型面尺寸；步骤二、催化剂负载/预制件缠绕成型一体化：将步骤一中得到的耐高温缠绕芯模安装在缠绕机上，并在耐高温缠绕芯模表面铺放厚度为0.01mm～2mm的石墨膜或石墨纸作为脱模层，然后启动缠绕机，调节耐高温缠绕芯模的旋转速度及缠绕角度，采用1～8束浸渍催化剂水溶液的连续炭纤维按照线型设计进行缠绕，直至达到设计厚度，得到炭纤维表面负载有催化剂的缠绕预制件；所述催化剂水溶液为Ni(NO3)2、Fe(NO3)2和Co(NO3)2中的一种或两种以上催化组分的水溶液，且当催化剂水溶液中催化组分为一种时，催化组分的质量浓度为1％～5％，当催化剂水溶液中对华组分为两种以上时，催化组分的总质量浓度不超过5％；步骤三、原位合成碳纳米管：将步骤二中得到的炭纤维表面负载有催化剂的缠绕预制件连同耐高温缠绕芯模进行干燥去除水分，然后放入Ar或N2气氛沉积炉中，在500Pa～10KPa的压力、700℃～1000℃恒温下通入甲烷、乙烷或乙炔，并同时通入还原性气体H2，进行化学气相沉积5min～30min，得到炭纤维表面生长有碳纳米管的缠绕件；步骤四、增密处理：采用树脂浸渍裂解工艺或化学气相沉积工艺对步骤三中得到的炭纤维表面生长有碳纳米管的缠绕件进行增密处理，得到增密缠绕件；所述树脂浸渍裂解工艺进行增密处理的具体过程为：将炭纤维表面生长有碳纳米管的缠绕件连同耐高温缠绕芯模放入真空压力树脂浸渍固化炉中，先在1KPa～50KPa的真空度下浸渍2h～8h，然后在0.8MPa～2.0MPa的压力、180℃～250℃的温度下固化3h～6h，再转入炭化炉中在800℃～1100℃的温度下炭化3h～5h；所述化学气相沉积工艺进行增密处理的具体过程为：将炭纤维表面生长有碳纳米管的缠绕件连同耐高温缠绕芯模放入化学气相沉积设备中，在1KPa～20KPa的压力、900℃～1200℃的温度下充入碳源气体丙烯或乙炔以及稀释气体氩气或氮气，进行沉积15h～200h；步骤五、高温处理：将步骤四中得到的增密缠绕件连同耐高温缠绕芯模装入石墨化炉中，然后在惰性气氛氮气或氩气保护下...

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