一种内生纤维增强碳/陶喉衬材料的制备方法技术

本发明专利技术一种内生纤维增强碳/陶喉衬材料的制备方法，其步骤：S1制备碳纤维预制体，S2高温预处理预制体，S3采用CVI工艺制备低密度碳/陶复合材料毛坯，S4石墨化处理，S5将莫来石与硅树脂添加到呋喃树脂中，制得莫来石和硅树脂浸渍剂，S6将S4制备的毛坯及S5制备的浸渍剂装入真空

【技术实现步骤摘要】
一种内生纤维增强碳/陶喉衬材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及复合材料
，具体涉及一种内生纤维增强碳/陶喉衬材料的制备方法。

技术介绍

[0002]在固体火箭发动机点火时，固体燃料在燃烧室内燃烧产生大量的气体，发动机喷管位于燃烧室后端，它通过控制燃气的膨胀使固体燃料的内能转化为动能，从而给火箭提供动力。而喉衬位于喷管的喉部，在火箭点火发射的瞬间，会承受3000℃左右的高温，喉衬材料的温度会以大约2000℃/s的速率上升，在这种高温环境中，如果喉衬材料烧蚀严重或者变形碎裂，则会大大影响发动机的工作效率。
[0003]碳/碳(C/C)复合材料又称碳纤维增强碳基体复合材料，其兼具碳基体固有的耐高温性能和碳纤维增强体的优异的力学性能。该材料密度低，热膨胀系数小，使用寿命长，可设计性强，摩擦磨损性能优异，比强度和比模量较高。除此以外，其力学强度在惰性环境中随着温度的升高(可达2200℃)不降反升。以上优异的特点和性能使得碳/碳复合材料在火箭发动机喉衬中得到了广泛的应用，然而喉衬在高温、高压的环境中会承受高流速携带固体颗粒或液滴的气流冲刷，造成喉衬材料氧化及变形碎裂，因此，需要提升碳/碳复合材料在高温环境中力学性能和高温抗氧化性能。
[0004]目前研制碳/碳喉衬，成本最低且最易制备的工艺为CVI+PIC复合工艺，即首先采用CVI工艺使碳/碳喉衬毛坯沉积到一定密度(1.0～1.5g/cm3)时，采用PIC继续增密，直至材料密度达到1.86g/cm3以上。但因碳/碳喉衬在高温下容易发生氧化，致使其致密度减小，机械强度减低，严重影响了碳/碳喉衬材料的力学性能、抗烧蚀性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题
[0006]本专利技术提供一种内生纤维增强碳/陶喉衬材料的制备方法，以解决现有碳/碳喉衬材料采用CVI(等温化学气相渗透)+PIC(树脂浸渍固化碳化)复合，其存在烧蚀率大、氧化严重等问题。
[0007]为解决技术问题本专利技术采用的技术方案
[0008]一种内生纤维增强碳/陶喉衬材料的制备方法,其制备过程为：
[0009]S1：制备碳纤维预制体，以针刺技术、穿刺技术或编织技术将碳纤维制成准三维或三维预制体；
[0010]S2：高温预处理预制体，将S1制备的预制体放入石墨化炉进行高温预处理，温度为1800℃～2200℃，时间为1～3h，去除碳纤维表面的上浆剂及杂质；
[0011]S3：采用CVI工艺制备低密度碳/陶喉衬材料毛坯，将S2制得的预制体装入化学气相沉积炉内，抽真空，加热升温至设定温度后，通入气态前驱体及载气，通过调节气体流量与真空泵的抽力，维持炉内压力平衡，至获得密度为1.3g/cm3左右的低密度碳/陶喉衬材料
毛坯；
[0012]S4：石墨化处理，将S3制得的低密度碳/陶喉衬材料装入石墨化炉膛的均温区内，抽真空并按预定的升温制度加热，若因设备需要，可在高温下通入氩气，在最高温度下保温直至碳素结构充分转变为石墨，然后降温使坯体逐步冷却、出炉、清理直至完成石墨化处理，石墨化升温速率为100～300℃/h，石墨化温度2200～2400℃，保温时间为1～3h；
[0013]S5：制备莫来石和硅树脂浸渍剂，将(0
‑
10wt％)的莫来石与(0
‑
15wt％)硅树脂添加到呋喃树脂中，并充分混合均匀，制备出莫来石和硅树脂浸渍剂；
[0014]S6：将S4制备的低密度碳/陶喉衬材料毛坯装入真空
‑
压力浸渍罐内，再将S5制备出的莫来石和硅树脂浸渍剂加入浸渍罐内，然后在一定的压力下进行加压浸渍，再经固化、碳化处理，工艺过程反复循环4～6次，直至碳/碳材料密度达到1.87g/cm3以上，获得高密度碳/陶喉衬材料；
[0015]S7：最终石墨化处理，将S6制得的碳/陶喉衬材料进行高温石墨化处理，石墨化处理温度为2000℃～2500℃，获得碳/陶喉衬材料制品；
[0016]S8：机械加工获得碳/陶喉衬毛坯制品。
[0017]进一步地，所述S1中碳纤维是T300、T700、T800、HTA一种或多种。
[0018]进一步地，所述S3 CVI工艺的碳烃前躯体气体为烃类气体。
[0019]进一步地，所述S3 CVI工艺的碳烃前躯体气体为丙烯、甲烷、乙烯或天然气中的任意一种。
[0020]进一步地，所述S3 CVI工艺的载气为氮气、氢气或氩气中的任意一种。
[0021]进一步地，所述S3的炉压为2kPa～10kPa，在900～1200℃条件下热解生成热解碳，沉积300h～500h，至获得密度为1.3g/cm3左右的低密度碳/陶喉衬材料毛坯。
[0022]进一步地，所述S6的浸渍压力为2.2～2.6MPa，固化温度190℃，碳化温度900℃。
[0023]本专利技术获得的技术效果
[0024]该方法制备碳/陶喉衬材料制备喉衬与常规采用等温CVI+PIC制备的碳/碳复合材料相比，具有更高的力学性能、抗氧化烧蚀性能，从而提高喉衬的综合性能，进而提高固体火箭发动喷管效能。且制备该材料，无需改变现有的成型工艺、设备及工装，其生产周期、成本、可加工性均与现有的碳/碳复合材料相当，具有广阔的工程化应用前景。
附图说明
[0025]图1：超高温陶瓷改性碳/陶喉衬毛坯的制备流程图。
具体实施方式
[0026]本专利技术一种内生纤维增强碳/陶喉衬材料的制备方法，即在传统的CVI+PIC复合工艺中，在浸渍树脂中添加莫来石和硅树脂。利用化学气相渗透(CVI)法制备的多孔碳/碳复合材料置入莫来石及硅树脂的混合溶液中浸渍后高温热处理，形成内部含有硅树脂及莫来石的多孔碳/碳复合材料后进行渗碳处理，制备出超高温陶瓷改性的碳/陶喉衬材料。该方法操作简单，无需改变现有的工艺设备，其生产周期、成本、可加工性均与现有的碳/碳喉衬材料相当，具有广阔的工程化应用前景。内生纤维制备的碳陶(C/C
‑
3Al2O3
·
2SiO2)复合材料，具有高熔点、高硬度、耐腐蚀，优异的物理化学性能和良好的抗烧蚀性能，这一系列的优
异性能使其成为理想的高温结构材料，在航空航天等领域得到了广泛应用。由于莫来石(3Al2O3
·
2SiO2)在1810℃下会产生液相填充在复合材料基体中形成稳定的晶体结构，能在复合材料内部形成连续致密的保护层，阻止氧气渗入的作用，以及陶瓷的梯度致密分布,表现出优异的抗烧蚀性能。此外，通过向预制体添加硅树脂，在1400℃及氮气氛围条件下裂解，发生有机
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无机的转化生成三维网状聚合物(SiOC陶瓷)及C纤维，C纤维遵循“气
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液
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固”生长机理，并和SiOC陶瓷一起对C/C
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3Al2O3
·
2SiO2起到桥接作用，这种界面结合，可以提高C/C复合材料力学性能和抗烧蚀性能。
[0027]一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种内生纤维增强碳/陶喉衬材料的制备方法,其特征在于，其制备过程为：S1：制备碳纤维预制体，以针刺技术、穿刺技术或编织技术将碳纤维制成准三维或三维预制体；S2：高温预处理预制体，将S1制备的预制体放入石墨化炉进行高温预处理，温度为1800℃～2200℃，时间为1～3h，去除碳纤维表面的上浆剂及杂质；S3：采用CVI工艺制备低密度碳/陶喉衬材料毛坯，将S2制得的预制体装入化学气相沉积炉内，抽真空，加热升温至设定温度后，通入气态前驱体及载气，通过调节气体流量与真空泵的抽力，维持炉内压力平衡，至获得密度为1.3g/cm3左右的低密度碳/陶喉衬材料毛坯；S4：石墨化处理，将S3制得的低密度碳/陶喉衬材料装入石墨化炉膛的均温区内，抽真空并按预定的升温制度加热，若因设备需要，可在高温下通入氩气，在最高温度下保温直至碳素结构充分转变为石墨，然后降温使坯体逐步冷却、出炉、清理直至完成石墨化处理，石墨化升温速率为100～300℃/h，石墨化温度2200～2400℃，保温时间为1～3h；S5：制备莫来石和硅树脂浸渍剂，将(0
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10wt％)的莫来石与(0
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15wt％)硅树脂添加到呋喃树脂中，并充分混合均匀，制备出莫来石和硅树脂浸渍剂；S6：将S4制备的低密度碳/碳喉衬材料毛坯装入真空
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压力浸渍罐内，再将S5制备出的莫来石和硅树脂浸渍剂加入浸渍罐内，然后在一定的压力下...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘利俊，李金斗，李永胜，赵凯，尚柏宇，戴鑫宇，
申请(专利权)人：内蒙古航天红岗机械有限公司，
类型：发明
国别省市：