【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于新型炭-炭复合材料制备，具体涉及一种炭气凝胶-热解炭复合材料及其制备方法。
技术介绍
1、炭材料因原料广泛且具有高温稳定性而被认为是理想的高温工程结构材料，包括炭/炭(c/c)复合材料、炭气凝胶材料、热解炭、炭纤维等。其中，炭气凝胶在众多新型高效热防护材料选项中具有显著优势。炭气凝胶具有低密度、高孔隙率、良好的导电性等特性，并且拥有极高的耐温性，无氧环境中即使经受2800℃的超高温，仍可以较好地保持其介孔结构，从而使其在高温下热导率仍较低。然而，炭气凝胶骨架颗粒连接强度低、质脆易碎、强韧性差，并且有氧环境下温度高于500℃极易被氧化，难以满足高超声速飞行器服役环境下热/力/氧耦合的极端恶劣环境。
2、近年来，炭气凝胶在实际应用中显得越来越重要，但制备具有优良成形性和较高机械强度的炭气凝胶基材料仍然是一个巨大的挑战。目前，比较受关注的思路是用其它的增强材料与其复合来提高力学性能。炭气凝胶复合材料的最终形态大致可分为块状和薄片状，现已得到广泛研究的增强材料有石墨烯、炭纳米管、炭微球等纳米物质，以及炭泡沫、金属掺杂、引入陶瓷相等。此外，人们还一直在探索使用轻质低热导的纤维作为骨架材料来制备具有更好力学强度的炭气凝胶复合材料。但目前这些方法仍存在成本高、制备周期长、实验条件严苛等问题，还需要更深入的研究或调整使用新的技术方案。
3、热解炭是气态碳氢化合物在热基体表面通过脱氢作用沉积而成的炭材料，具有弯曲强度大、弹性模量低，有很好的耐磨性和化学惰性，特别适用于涂层包覆材料，自成功应用于原子能工业以来，
技术实现思路
1、针对上述现有炭气凝胶的力学性能较差以及增强方法中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种炭气凝胶-热解炭复合材料及其制备方法。该制备方法以炭气凝胶代替传统炭纤维预制体作为原材料进行化学气相渗透(cvi)处理。
2、为实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：
3、本专利技术提供的这种炭气凝胶-热解炭复合材料，以炭气凝胶中的微粒为核心，通过碳源气体原位沉积生成热解炭并对微粒进行包覆而成。
4、优选的，所述炭气凝胶-热解炭复合材料的密度为0.2g/cm3～1.8g/cm3。
5、优选的，所述炭气凝胶-热解炭复合材料的弯曲强度为0.5～80mpa，压缩强度为0.3～136mpa。
6、优选的，所述炭气凝胶为炭黑气凝胶、间苯二酚-甲醛基炭气凝胶、苯酚-糠醛基炭气凝胶、纤维素基气凝胶中的至少一种；炭气凝胶的密度为0.01g/cm3～0.40g/cm3。
7、优选的，所述碳源气体为天然气、丙烯和丙烷中的至少一种。
8、本专利技术还提供所述炭气凝胶-热解炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：
9、s1.制备炭气凝胶；
10、s2.将s1得到的炭气凝胶放置在化学气相沉积炉内，通入碳源气体和载气，进行cvi处理，得到炭气凝胶-热解炭复合材料。
11、优选的，步骤s1中，所述炭气凝胶的形状与尺寸可根据不同使用要求进行加工。
12、具体的，步骤s1中，所述炭气凝胶的形状为圆形、方形、圆环形和不规则形状的至少一种，其尺寸满足沉积炉容积要求即可。
13、优选的，步骤s2中，所述载气为氮气和氩气中的至少一种。
14、优选的，步骤s2中，所述cvi处理的工艺条件具体为：温度为950～1180℃，压力为0.1～30kpa，碳源气体与载气的体积比为(1～3):(1～2)，处理时间不低于2h。
15、具体的，步骤s2中，所述化学气相沉积炉包括炉体2、炉盖4、进气管1、发热体3、热电偶5、尾气法兰6、载物板8、石墨筒9、支撑板10；其中，支撑板10设置于炉体2的底部，石墨筒9置于支撑板10上，载物板8放置在石墨筒9上，载物板8上设有通气孔，样品放置在载物板8上；进气管1位于炉体2的底部且穿过支撑板10，尾气法兰6位于炉盖4的中间位置；热电偶5穿过炉盖4，热电偶5的测温端位于发热体3与样品之间，热电偶5的测温端与样品间的距离0.1～3cm，用于监控反应区温度；发热体3用于调控反应区温度；进行cvi处理时，碳源气体和载气通过进气管1进入载物板8、石墨筒9、支撑板10合围形成的区域内，充分混合并裂解，然后从通气孔流出至样品附近，渗入炭气凝胶内部继续反应形成炭气凝胶-热解炭复合材料。
16、本专利技术的原理：
17、本专利技术通过化学气相渗透法(cvi)对炭气凝胶进行沉积热解炭制备炭黑气凝胶-热解炭(cba-pyc)复合材料，能够在对基底无破坏的情况下达到提高材料力学性能的目的。该方法通过热解炭填充材料内部空隙、改善炭气凝胶骨架结构，从而在保持材料原本形状的同时增密炭气凝胶材料。此外，通过调控cvi工艺参数来控制沉积热解炭的质量，从而实现复合材料的力学性能与导电、导热性能的均衡，获得新型炭-炭复合材料。
18、本专利技术的有益效果：
19、1、本专利技术公开的炭气凝胶-热解炭复合材料是一种新的炭-炭复合材料，通过调控化学气相渗透工艺参数来控制沉积热解炭质量，从而实现复合材料的力学性能与其他性能的均衡，具有良好的导电性能和力学性能，在耐烧蚀材料、热场材料、新能源材料等领域具有较大的应用潜力。
20、2、本专利技术提供的炭气凝胶-热解炭复合材料的制备方法稳定高效，所需原料获取简单且种类多样，具有成本低、工艺简单、生产效率高、可控性好等优点。
21、3、本专利技术通过碳源气体化学气相渗透穿过气凝胶内部的孔隙实现原位沉积热解炭，改善炭气凝胶骨架结构的同时保持材料原本形状，实现近净成形。
22、4、本专利技术可以根据炉体空间处理任意形状尺寸的炭气凝胶材料，制备过程清洁无污染。
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1.一种炭气凝胶-热解炭复合材料，其特征在于，所述复合材料，以炭气凝胶中的微粒为核心，通过碳源气体原位沉积生成热解炭并对所述微粒进行包覆形成。
2.根据权利要求1所述的炭气凝胶-热解炭复合材料，其特征在于，所述复合材料的密度为0.2g/cm3～1.8g/cm3，弯曲强度为0.5～80MPa，压缩强度为0.3～136MPa。
3.根据权利要求1所述的炭气凝胶-热解炭复合材料，其特征在于，所述炭气凝胶为炭黑气凝胶、间苯二酚-甲醛基炭气凝胶、苯酚-糠醛基炭气凝胶、纤维素基气凝胶中的至少一种；炭气凝胶的密度为0.01g/cm3～0.40g/cm3。
4.根据权利要求1所述的炭气凝胶-热解炭复合材料，其特征在于，所述碳源气体为天然气、丙烯和丙烷中的至少一种。
5.根据权利要求1～4任一项所述的炭气凝胶-热解炭复合材料的制备方法，包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述炭气凝胶的形状为圆形、方形、圆环形和不规则形状的至少一种，其尺寸满足沉积炉容积要求即可。
7.根据权利要求5所述的制
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述CVI处理的工艺条件具体为：温度为950～1180℃，压力为0.1～30kPa，碳源气体与载气的体积比为(1～3):(1～2)，处理时间不低于2h。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述化学气相沉积炉包括炉体(2)、炉盖(4)、进气管(1)、发热体(3)、热电偶(5)、尾气法兰(6)、载物板(8)、石墨筒(9)、支撑板(10)；其中，支撑板(10)设置于炉体(2)底部，石墨筒(9)置于支撑板(10)上，载物板(8)放置在石墨筒(9)上，载物板(8)上设有通气孔；样品放置在载物板(8)上；进气管(1)位于炉体(2)底部且穿过支撑板(10)，尾气法兰(6)位于炉盖(4)的中间位置；热电偶(5)穿过炉盖(4)，热电偶(5)的测温端位于发热体(3)与样品之间，热电偶(5)的测温端与样品间的距离为0.1～3cm，用于监控反应区温度；发热体(3)用于调控反应区温度；进行CVI处理时，碳源气体和载气通过进气管(1)进入载物板(8)、石墨筒(9)、支撑板(10)合围形成的区域内充分混合并裂解，然后从通气孔流出至样品附近，渗入炭气凝胶内部继续反应形成炭气凝胶-热解炭复合材料。
...【技术特征摘要】
1.一种炭气凝胶-热解炭复合材料，其特征在于，所述复合材料，以炭气凝胶中的微粒为核心，通过碳源气体原位沉积生成热解炭并对所述微粒进行包覆形成。
2.根据权利要求1所述的炭气凝胶-热解炭复合材料，其特征在于，所述复合材料的密度为0.2g/cm3～1.8g/cm3，弯曲强度为0.5～80mpa，压缩强度为0.3～136mpa。
3.根据权利要求1所述的炭气凝胶-热解炭复合材料，其特征在于，所述炭气凝胶为炭黑气凝胶、间苯二酚-甲醛基炭气凝胶、苯酚-糠醛基炭气凝胶、纤维素基气凝胶中的至少一种；炭气凝胶的密度为0.01g/cm3～0.40g/cm3。
4.根据权利要求1所述的炭气凝胶-热解炭复合材料，其特征在于，所述碳源气体为天然气、丙烯和丙烷中的至少一种。
5.根据权利要求1～4任一项所述的炭气凝胶-热解炭复合材料的制备方法，包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述炭气凝胶的形状为圆形、方形、圆环形和不规则形状的至少一种，其尺寸满足沉积炉容积要求即可。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述载气为氮气和氩气中的至少一种。
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