【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及碳/碳复合材料，具体涉及一种三向协同高导热碳/碳复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、碳/碳(c/c)复合材料是一种由碳纤维作为增强体的碳基复合材料，因其具有低密度、高比强、良好的高温力学性能以及可设计性强等优势而被认为是航天领域首选的高温热防护材料。随着新一代高超声速飞行器的发展与研制，对c/c复合材料的结构与性能提出了更为严苛的要求，预制体的结构和碳纤维的排布取向直接决定了热结构c/c复合材料的热物理性能与力学性能，如何根据飞行器不同部位服役的需求设计不同结构的预制体以充分发挥复合材料的导热与承载性能是关键。
2、目前，研究者们已在c/c复合材料的预制体结构设计与制备方面开展了大量的研发和探索，成功制备了单向、二维铺层、针刺、碳布穿刺以及正交三向等结构的预制体，并且经过致密化以得到c/c复合材料。其中，针刺结构的c/c复合材料因易于致密化且强化了层间连接强度等优势而受到广泛的应用。然而，由于复合材料本身具有各向异性，x向、y向和z向的热物理性能存在明显差异，即x和y向的导热率高，但是其沿厚度方向(z向)的导热率低，未能充分发挥三向协同高导热的优异性能，因此，对预制体结构进行优化与设计，在提升其层间导热能力的同时不损伤其面内导热性能，使其整体具有高导热的能力是当前亟需解决的问题。
技术实现思路
1、针对上述
技术介绍
中存在的不足，本专利技术提供一种三向协同高导热碳/碳复合材料及其制备方法和应用。该方法通过改变纤维种类、调整铺层距离对预制体结构进行设计
2、本专利技术第一个目的是提供一种三向协同高导热碳/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
3、将中间相沥青基碳纤维编织的无纬布和短切中间相沥青基碳纤维编织的网胎，分别于1500～1600℃进行热处理，将热处理后的无纬布和网胎交替叠层铺设，并在垂直于叠层方向针刺碳纤维以固定形成针刺碳毡预制体；
4、将针刺碳毡预制体进行致密化处理后，在惰性气氛中，于2800～3000℃处理2～4h，即得三向协同高导热碳/碳复合材料。
5、优选的，所述致密化处理，包括：
6、将针刺碳毡预制体置于热解碳沉积炉中，沉积温度为1000-1100℃，压力为2～10kp，天然气的流速为15～18l/min，沉积时间为130～150h。
7、优选的，经致密化处理后的针刺碳毡预制体，其密度为1.84～1.86g/cm3，碳基体的织构类型为高织构，消光角为23°≤ae≤28°。
8、优选的，所述针刺碳毡预制体的密度为0.61～0.68g/cm3。
9、优选的，所述中间相沥青基碳纤维编织的无纬布的经纱密度为40-60根/10mm，面密度为185-190g/m2；所述中间相沥青基碳纤维的直径为10-11μm，牌号为tc20。
10、优选的，短切中间相沥青基碳纤维编织的网胎的面密度为50-60g/m2；所述短切中间相沥青基碳纤维的长度为50-80mm。
11、优选的，所述交替叠层铺设过程中，相邻两层所述无纬布的夹角为90°。
12、本专利技术第二个目的是提供一种三向协同高导热碳/碳复合材料。
13、本专利技术第三个目的是提供一种三向协同高导热碳/碳复合材料在高温热防护中的应用。
14、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
15、本专利技术提供的一种三向协同高导热碳/碳复合材料及其制备方法和应用，本专利技术通过在垂直于叠层方向针刺碳纤维以固定形成针刺碳毡预制体，其针刺碳毡预制体的密度为0.61～0.68g/cm3。通过控制预制体密度以调控纤维的体积分数。影响c/c复合材料x向和y向导热率的主要因素为纤维的体积分数，高体积分数时，热量可沿中间相沥青(mp)基碳纤维的轴向高效传导，但是当纤维的体积分数过高时，影响预制体致密化效率，使复合材料存在大量的孔隙和缺陷，同时层间距离减小，降低了热解碳的沉积量。
16、本专利技术通过调控密度以约束层间距离。由于高织构热解碳是围绕纤维以层状结构生长，当层间距离过近时，纤维与纤维沿径向方向之间沉积的热解碳的体积很小，热解碳与热解碳之间并未形成搭接结构，呈现出环形生长的热解碳之间彼此“相切”的状态，此时热量仍是通过层间进行传导，界面热阻很大，影响了传热效率，参见图3(b)所示；当层间距离增大时，纤维与纤维沿径向方向之间沉积的热解碳的体积增大，环形生长的热解碳之间呈现出“相交”的状态，进而形成明显的搭接结构，从而构筑了长程传热通道，热量沿热解碳的面内进行传热，大大提升热传导的效率，参见图3(a)所示；当层间距离进一步增大时，虽然导热性能进一步提升，但是层间结合变弱，使其力学性能大大降低，因此，合适的层间距离，使其具有优异的导热性能与弯曲强度，其弯曲强度可达80mpa。
17、本专利技术使用具有“辐射状”结构特征的mp基碳纤维制备的无维布代替具有乱层石墨结构的pan基碳纤维制备的无维布，使得热量在层间可以通过mp基碳纤维大的片层结构沿径向定向传导，加快热传导的效率。
18、本专利技术在无维布层之间增加由短切mp基碳纤维组成的网胎层，一方面有利于热解碳的沉积，实现整体的致密化，降低复合材料整体的孔隙率，另一方面调控无维布层之间的距离，进而调节控制无维布层之间高织构热解碳的体积，以实现沿厚度z方向导热性能的提升。制备得到的针刺高导热复合材料的密度为1.84-1.86g/cm3，孔隙率仅为12-15％，沿x向和y向的导热率为300w/(m·k)，沿厚度z方向室温下的导热率可达128w/(m·k)。
19、本专利技术在2800-3000℃下进行热处理，使得复合材料的石墨微晶具有完美的晶体结构，缺陷少，从而导热率高；控制热处理时间为1-2h，既减少了复合材料的缺陷，又避免了长时间高温热处理使层间结合减弱，严重降低其力学性能。
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1.一种三向协同高导热碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的三向协同高导热碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述致密化处理，包括：
3.根据权利要求2所述的三向协同高导热碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于，经致密化处理后的针刺碳毡预制体，其密度为1.84～1.86g/cm3，碳基体的织构类型为高织构，消光角为23°≤Ae≤28°。
4.根据权利要求1所述的三向协同高导热碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述针刺碳毡预制体的密度为0.61～0.68g/cm3。
5.根据权利要求1所述的三向协同高导热碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述中间相沥青基碳纤维编织的无纬布的经纱密度为40-60根/10mm，面密度为185-190g/m2；所述中间相沥青基碳纤维的直径为10-11μm。
6.根据权利要求1所述的三向协同高导热碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于，短切中间相沥青基碳纤维编织的网胎的面密度为50-60g/m2；所述短切中间相沥青基碳纤维的长度为50-80mm。>
7.根据权利要求1所述的三向协同高导热碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述交替叠层铺设过程中，相邻两层所述无纬布的夹角为90°。
8.一种权利要求1～7任一项所述的方法制得的三向协同高导热碳/碳复合材料。
9.根据权利要求8所述的三向协同高导热碳/碳复合材料在高温热防护中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种三向协同高导热碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的三向协同高导热碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述致密化处理，包括：
3.根据权利要求2所述的三向协同高导热碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于，经致密化处理后的针刺碳毡预制体，其密度为1.84～1.86g/cm3，碳基体的织构类型为高织构，消光角为23°≤ae≤28°。
4.根据权利要求1所述的三向协同高导热碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述针刺碳毡预制体的密度为0.61～0.68g/cm3。
5.根据权利要求1所述的三向协同高导热碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述中间相沥青基碳...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋强，张若茜，周兆凡，赵斐，张守阳，沈庆凉，李伟，付前刚，李贺军，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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