炭/炭复合材料板制备方法技术

本发明专利技术是对高温结构材料——炭/炭复合材料板制备方法的改进，其特征是制备预制体厚度大于最终产品厚度，制得预制体后浸渍树脂，热压、固化，压缩至所需厚度，使得炭板中炭纤维体积含量平均值Vf达到35～55%或无纬布层数≥22层/cm。通过压缩增加纤维体积含量，改善了结构，提高了结构性能，不仅提高了制品力学性能，克服了通过加压针刺提高纤维体积含量会造成纤维损伤，强度下降的缺点；而且使得后续CVD时间缩短，降低了制造成本。所得炭板性能指标：平面拉伸强度＞110MPa,弯曲强度＞150MPa，层间剪切强度＞15MPa；热膨胀系数（1000℃）＜3.0×10-6/K，总体力学、热物理性能高，尺寸稳定性好，使用寿命长，例如在多晶硅铸锭炉内使用，较普通针刺类材料寿命提高30%以上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是对高温结构材料一的改进，尤其涉及一种炭纤维体积含量高的。
技术介绍
炭/炭复合材料板(以下简称炭或C/C板)是制备多种高温结构件例如单晶、多晶、氢化炉、石墨舟、磁性材料等耐高温结构用板材，使用温度大都在1300°C以上，要求其具有很好的高温强度和高温尺寸稳定性。现有技术制备方法有。采用炭纤维布浸渍树脂(或预浸有树脂布)叠层，经炭化、高温处理和/或CVD致密制成，例如中国专利CN101279855高温炉用炭/炭板材制备方法，采用浸胶后炭布叠层置于平板摸具后经压机压制固化、炭化和高温处理制成。此法制备的炭板，炭布层间(厚度方向)没有炭纤维交织，层间布完全依靠树脂粘接形成Z向强度。此结构预制体在炭化过程中树脂会因受热分解，产生大量气态小分子在炭布层间积聚和扩散，当积聚速率大于扩散速率时，产生内压应力，会造成炭板内部出现局部分层，严重甚至开裂；此外，在高温处理过程中，炭结构转化时基体体积会产生收缩，造成分层或开裂缺陷区域范围进一步扩大，高温处理后即使通过化学气相沉积或渗透增密(CVD或CVI)，也难以弥合分层缺陷。因而制备的炭板在高温、载荷环境下易产生扭曲变形和开裂等问题，影响使用性能。采用炭纤维无纬布加网胎针刺成所需厚度预制件，经CVD或CVI增密制成。该方法所得炭板虽然层间有通过针刺带入纵向纤维，然而仅依靠刺针成型，是不可能获得高纤维体积含量的预制体，此类预制体通常炭纤维体积含量小于30 %，无纬布层数< 18层/cm， 所得炭板强度较低(平面拉伸强度< IOOMpii,弯曲强度< 120Mpa)，无法满足尺寸规格较大 (如长、宽> 1000mm)、薄厚度(如3mm以下)和高强度炭板使用要求。上述不足仍有值得改进的地方。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种不仅层间结合力强，而且体积纤维含量高，纤维损伤小，综合性能优良的。本专利技术目的实现，主要改进是采用炭纤维无纬布与短纤维网胎交替叠层针刺，制得厚度大于最终厚度要求的预制体，在浸渍树脂后采用加压压缩固化，从而获得高体积纤维含量，克服现有技术不足，实现专利技术目的。具体说，本专利技术，包括炭纤维无纬布、短纤维网胎交替叠层针刺制备预制体，炭化，高温处理，表面强化处理，其特征在于制备预制体厚度大于最终产品厚度，制得预制体后浸渍树脂，热压、固化，压缩至所需厚度，使得炭板中炭纤维体积含量平均值Vf达到35 55%或无纬布层数> 22层/cm。在详细说明前，先通过对专利技术能够达到的基本功能及效果作一介绍，以使本领域技术人员对本专利总体技术方案有一个明确了解。本专利技术通过针刺将预制体制成厚度大于最终厚度，针刺确保层间结合力，并提高了预制体的各同向性，然后在浸渍树脂后的加压、固化过程中，使其压缩至所需厚度，因而提高了最终产品中炭纤维的体积含量(单位厚度层数增加)，从而提高了炭板的综合性能； 同时，网胎具有随机分布多孔，孔结构均勻，为后续基体炭引入提供良好的结构空间，而且基体炭分布性能好，有利于提高制成复合材料的整体性能。本专利技术中，除制备预制体厚度大于最终产品厚度，以及浸渍树脂固化时加压压缩至最终厚度，两步不同外，其余均可以采用现有技术工艺。在树脂浸渍中，为确保合适的浸渍量，较好采用比重0.8 1. lg/cm3树脂浸渍。试验表明，要获得理想的最终炭纤维体积含量，较好制备预制体厚度(树脂浸渍前预制体厚度)大于最终产品厚度0. 45 0. 95倍，可以获得无纬布层数> 25层/cm的预制体。交替叠层，可以是一层无纬布一层网胎，也可以是若干层无纬布与一层网胎，根据设计强度要求确定。固化，其作用与现有技术相同，主要是使树脂聚合形成高度交联、不熔化的无定形固体。为简化浸渍树脂炭的控制，以及防止纤维滑移，较好采用梯度加压压缩固化。例如在 20-60分钟内升温至85-95°C，加压至1. 5-3. 5Kg/cm2 ；保温、保压30-70分钟后，将压力增至 4. 5-6. 5Kg/cm2，保温、保压10-30分钟；在120-150分钟内再升温到110_120°C，将压力增至8-lOKg/cm2 ；在120-150分钟内将温度升至160_180°C，保温、保压30-120分钟。梯度加压压缩固化，具有方法简单控制容易，可以避免加压过快易造成已浸渍树脂的过量流失，降低树脂C含量，以及一次加压过快还会造成预制体纤维滑移，产生分层。炭化，其作用与现有技术相同，主要是使已固化的树脂热解形成炭/炭复合材料的炭基体。由于预制体压缩紧密，为确保炭化质量，炭化较好采用梯度升温炭化进行，例如室温-150 0C ,升温20-60 V /小时；150-400 °C ,升温20-50 V /小时； 400-1000°C，50-800C /小时；1000°C下保温1_5小时。台阶式变速升温更有利于控制分层、 开裂等内部缺陷。高温处理，其作用与现有技术相同，主要是实现炭结构的转化。也较好采用梯度升温速率进行，例如室温-900°C，升温速率100-150°C /小时，900°C下保温1_2小时； 900-1200°C ,升温速率 20-50°C / 小时；1200-2300°C，升温速率 50_150°C / 小时，2300°C 保温1-2小时的梯度升温。梯度升温有利于控制高温环境下变形和尺寸稳定。表面强化处理，也同现有技术，进一步提高炭板的密度，改善炭板综合性能。将高温处理后的炭板按图纸要求的规格尺寸进行机械加工后放置CVD炉内，抽真空，按 100-3000C /小时升温速率，升温至950-1300°C，保持真空度在低于2000Pa，按惰性稀释气体与碳氢气体的2:1的体积比通入炉中进行化学气相沉积，20-120小时后停炉。本领域普通技术人员应当理解本专利技术方法中除主专利技术点外，其他具体工艺参数是申请人试验的较佳试验值，不能理解为实现本专利技术方法的必要条件，即并非上述参数范围才能够实现专利技术目的，在制备原理范围内的适当变动同样是可以实现本专利技术的。本专利技术，相对于现有技术，由于将针刺预制体制成厚度大于最终制品厚度尺寸，在浸渍树脂后采用加压压缩至所需厚度方式，从而增加了制品中的纤维体积含量(纤维体积含量平均值Vf达35 55%或无纬布层数> 22层/cm)，改善了结构，提高了结构性能，不仅提高了制品力学性能，克服了通过加压针刺提高纤维体积含量会造成纤维损伤，强度下降的缺点；而且使得后续CVD时间缩短，降低了制造成本。网胎纤维随机分布，孔结构均勻，有利于基体炭在纤维束内或束间形成，同样改善了炭/炭材料层间结合性能；通过控制树脂的密度和渐进式梯度加压，较好解决了加压过程中随温度升高、树脂粘度降低产生滑移、变形等问题，确保了织物结构尺寸的稳定性。通过台阶式升温炭化、梯度升温高温处理以及优化的工艺参数，克服了浸渍树脂后炭化过程中内部会出现局部分层，以及高温处理中体积收缩造成分层或开裂的缺陷，同时消除了致密化过程中形成的内部残余应力，有效保证了炭板内部质量，所得产品内部质量和综合性能优良。机械加工后表面处理，有利于进一步提高密度，弥合材料表面损伤和内部微裂纹，进一步改善了材料的使用性能。本专利技术方法所得炭板性能指标平面拉伸强度> IlOMpii,弯曲强度> 150本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．炭／炭复合材料板制备方法，包括炭纤维无纬布、短纤维网胎交替叠层针刺制备预制体，炭化，高温处理，表面强化处理，其特征在于制备预制体厚度大于最终产品厚度，制得预制体后浸渍树脂，热压、固化，压缩至所需厚度，使得炭板中炭纤维体积含量平均值Ｖｆ达到３５～５５％或无纬布层数≥２２层／ｃｍ。

【技术特征摘要】
1.炭/炭复合材料板制备方法，包括炭纤维无纬布、短纤维网胎交替叠层针刺制备预制体，炭化，高温处理，表面强化处理，其特征在于制备预制体厚度大于最终产品厚度，制得预制体后浸渍树脂，热压、固化，压缩至所需厚度，使得炭板中炭纤维体积含量平均值Vf达到35 55%或无纬布层数彡22层/cm。2.根据权利要求1所述炭/炭复合材料板制备方法，其特征在于浸渍树脂比重0.8 1. lg/cm3。3.根据权利要求1所述炭/炭复合材料板制备方法，其特征在于制备预制体厚度大于最终产品厚度0. 45 0. 95倍。4.根据权利要求3所述炭/炭复合材料板制备方法，其特征在于压缩后无纬布层数 ≥ 25 层 /cm。5.根据权利要求1、2、3或4所述炭/炭复合材料板制备方法，其特征在于热压固化为 20-60分钟内升温至85-95°C，加压至1. 5-3. 5Kg/cm2 ；保温、保压30-70分钟后，将压力增至4. 5-6. 5Kg/cm2，保温、保压10-30分钟；120-150分钟内再升温到110_120°C，将压力增至8-lOKg/cm2 ；120-150分钟内将温度升至16...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：无锡市弟兆碳材料有限公司，
类型：发明
国别省市：32