專利名稱：基體前驅(qū)物液汽相熱解制備碳/碳－碳化硅復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備碳/碳-碳化硅復(fù)合材料的方法，特別是用化學(xué)液汽相熱解基體前驅(qū)物快速制備碳/碳-碳化硅復(fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
專利號為CN97199764.0的中國專利介紹了一種碳/碳-碳化硅復(fù)合材料的摩擦部件及其制造方法，該發(fā)明尤其用于鐵路車輛和汽車的制動材料制造。該方法是在增強(qiáng)纖維附近通過化學(xué)蒸汽滲透獲得熱解碳第一種相，至少部分地通過熱解一種液相基體前驅(qū)物獲得第二種碳或陶瓷難熔相，以及通過形成硅化物處理獲得碳化硅，基體至少包含在每個(gè)或所述摩擦表面附近。該碳/碳-碳化硅復(fù)合材料優(yōu)選范圍如下，即至少在每個(gè)或所述摩擦表面附近的構(gòu)成以體積計(jì)至少為15～35％的碳纖維，10～55％的含熱解碳基體相，2～30％難熔材料的第二種基體相，以及10～35％的碳化硅。
該方法有以下不足難以控制在每個(gè)或所述摩擦表面附近得到均勻的組織，組織重復(fù)性較差，導(dǎo)致將來每個(gè)或所述摩擦表面的摩擦性能不夠穩(wěn)定；基體前驅(qū)物利用率低，不到5％，排放污染量大；此外，通過化學(xué)蒸汽滲透獲得熱解碳第一種相，至少部分地通過熱解一種液相基體前驅(qū)物獲得第二種碳或陶瓷難熔相，以及通過形成硅化物處理獲得碳化硅，需要集中基體前驅(qū)物，制備工藝復(fù)雜，制備周期長達(dá)一個(gè)月以上。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)基體前驅(qū)物利用率低、制備周期長的不足，本發(fā)明提供一種制備碳/碳-碳化硅復(fù)合材料的方法，可以快速、低成本制造碳纖維增強(qiáng)增韌的碳/碳-碳化硅復(fù)合材料。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種制備碳/碳-碳化硅復(fù)合材料藥方法，其特征在于，包括下述步驟1)將厚度為1～50mm、密度為0.3g/cm3的二維正交連續(xù)炭纖維與短炭纖維混編穿刺氈均勻板材預(yù)制物增強(qiáng)體，或者全炭布穿刺編織體均勻板材預(yù)制物增強(qiáng)體，放在烘箱中，在80～100℃烘干兩小時(shí)后，清潔預(yù)制物增強(qiáng)體表面；2)將兩塊銅電極調(diào)整在同一水平面上并分別與電源電連接，在銅電極上水平放置四周平直的石墨墊塊，然后安放預(yù)制物增強(qiáng)體，其上再安放石墨墊塊，讓預(yù)制物增強(qiáng)體處于上下兩個(gè)石墨墊塊的中間，將石墨墊塊與預(yù)制物增強(qiáng)體緊固，然后將熱電偶尖部嚴(yán)格插入預(yù)制物增強(qiáng)體厚度的一半處；3)向沉積室內(nèi)注入六甲基二硅氮烷前軀物，使液面超過預(yù)制物增強(qiáng)體5～10毫米，給沉積室連續(xù)通入氮?dú)?0～30分鐘，排除沉積室內(nèi)空氣，接通冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，接通電源加熱預(yù)制物增強(qiáng)體，在10分鐘由室溫均勻升到700～900℃，期間不斷注入六甲基二硅氮烷前軀物，并保持液面高度超過預(yù)制物增強(qiáng)體5～10毫米，保溫0.5～15小時(shí)；4)關(guān)閉電源，自然降溫至室溫，回收沉積室剩余六甲基二硅氮烷前軀物，取出產(chǎn)品。
本發(fā)明的有益效果是，由于采用了六甲基二硅氮烷作為基體前驅(qū)物和預(yù)制物增強(qiáng)體直接通電加熱，化學(xué)液氣相熱解基體前驅(qū)物同時(shí)獲得碳-碳化硅兩種基體相，制備時(shí)間從現(xiàn)有技術(shù)化學(xué)蒸汽滲透獲得熱解碳一種相的一個(gè)月以上降低到0.5～15小時(shí)；而且工藝簡單，一次連續(xù)沉積周期即完成制備；由于前軀物可回收再利用，所以前軀物利用率從現(xiàn)有技術(shù)化學(xué)蒸汽滲透獲得熱解碳一種相的不到5％提高到50％，前軀物六甲基二硅氮烷本身無污染、無刺激、對人體無傷害，其分解產(chǎn)物與現(xiàn)有技術(shù)相比對環(huán)境污染小。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。


附圖是本發(fā)明制備碳/碳-碳化硅復(fù)合材料的方法制備裝置示意中，1-銅電極 2-石墨塊 3-預(yù)制物增強(qiáng)體 4-儲箱 5-泵 6-沉積室 7-冷卻水箱 8-電源具體實(shí)施方式
實(shí)施例1步驟1增強(qiáng)體準(zhǔn)備。檢查密度大于0.3g/cm3的二維正交連續(xù)炭纖維與短炭纖維混編穿刺氈均勻板材預(yù)制物增強(qiáng)體，厚度10mm，寬度10mm，長度100mm。不允許有大于4mm碰傷。在烘箱中80℃烘干兩小時(shí)后，放置在任意干凈平整的鐵板上，用毛刷刷去表面灰塵。
步驟2沉積室準(zhǔn)備。鋼板制沉積室壁夾層由冷卻水冷卻，檢查水循環(huán)系統(tǒng)是否有泄漏，清潔沉積室。
步驟3增強(qiáng)體安裝。銅電極分別與電源8電連接，兩銅電極1工作面必須保持水平，并在同一水平面上。在銅電極1上水平放置四周平直的石墨墊塊2，然后安放預(yù)制物增強(qiáng)體3，其上再安放石墨墊塊2，讓預(yù)制物增強(qiáng)體3處于上下兩層石墨墊塊的中間。夾緊兩層石墨墊塊2和其間的預(yù)制物增強(qiáng)體3。同時(shí)用游標(biāo)卡尺測量壓下量約為2～3毫米?？蛇x用適當(dāng)厚度的塊規(guī)檢驗(yàn)壓下量。由于預(yù)制物增強(qiáng)體3板材編織的不均勻性，壓下量只能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。安裝熱電偶。用手觸摸熱電偶尖部，靠體溫升溫，觀察溫度表是否升溫，以檢驗(yàn)熱電偶是否工作。然后將熱電偶尖部嚴(yán)格插入預(yù)制物增強(qiáng)體厚度的一半處。
步驟4化學(xué)液氣相熱解基體前驅(qū)物。
從儲箱4中用泵5向沉積室6內(nèi)泵入六甲基二硅氮烷前軀物，使液面略微超過預(yù)制物增強(qiáng)體均勻板材的頂部5毫米。然后記錄液面計(jì)的高度。
通入氮?dú)獗Ｗo(hù)氣體至沉積室6內(nèi)，連續(xù)工作通氮?dú)?0分鐘，以把沉積室內(nèi)的絕大部分空氣排出為準(zhǔn)。
致密化沉積接通冷卻水箱7通冷卻水，接通電源8通電加熱預(yù)制物增強(qiáng)體3，由室溫10分鐘均勻升到700℃，致密化沉積中不斷通過液體泵從儲箱4中泵入的方式補(bǔ)充前軀物，最好保持到原來的液面高度。由于液面沸騰，液面高度不斷波動，可在切斷電源8的情況下正確判斷油面高度，以便加前軀物量正確。沉積時(shí)間0.5小時(shí)。沉積中嚴(yán)禁水和含水物質(zhì)進(jìn)入沉積室6內(nèi)。
由于預(yù)制物增強(qiáng)體3均勻板材是導(dǎo)體，通電中被加熱，預(yù)制物增強(qiáng)體3均勻板材浸泡在前軀物液體中，因此預(yù)制物增強(qiáng)體板3材由中心到外表面形成溫度梯度，中心溫度高于外表面。六甲基二硅氮烷前軀物液體通過滲透進(jìn)入增強(qiáng)體3內(nèi)部，前軀物液體瞬間變?yōu)闅怏w，并在高溫區(qū)熱解變?yōu)闊峤馓?、SiC和Si3N4的混合物留在內(nèi)部。隨著時(shí)間的延長，熱解碳、SiC和Si3N4的混合物逐漸由預(yù)制物增強(qiáng)體3均勻板材內(nèi)部向外沉積擴(kuò)展，最終沉積產(chǎn)物布滿整個(gè)預(yù)制物增強(qiáng)體3均勻板材的空隙中。
步驟5取出產(chǎn)品。切斷動力源，自然降溫后排出剩余六甲基二硅氮烷前軀物至儲箱4。冷卻后從向沉積室6取出致密化的最終產(chǎn)品。
實(shí)施例2步驟1增強(qiáng)體準(zhǔn)備。檢查密度大于0.3g/cm3的全炭布穿刺編織體均勻板材預(yù)制物增強(qiáng)體，厚度30mm，寬度100mm，長度1000mm。不允許有大于4mm碰傷。在烘箱中90℃空氣中烘干兩小時(shí)后，放置在任意干凈平整的鐵板上，用毛刷刷去表面灰塵。
步驟2沉積室準(zhǔn)備。鋼板制沉積室壁夾層由冷卻水冷卻，檢查水循環(huán)系統(tǒng)是否有泄漏，清潔沉積室。
步驟3增強(qiáng)體安裝。銅電極分別與電源8電連接，兩銅電極1工作面必須保持水平，并在同一水平面上。在銅電極1上水平放置四周平直的石墨墊塊2，然后安放預(yù)制物增強(qiáng)體3，其上再安放石墨墊塊2，讓預(yù)制物增強(qiáng)體3處于上下兩層石墨墊塊的中間。夾緊兩層石墨墊塊2和其間的預(yù)制物增強(qiáng)體3。同時(shí)用游標(biāo)卡尺測量壓下量約為3～4毫米?？蛇x用適當(dāng)厚度的塊規(guī)檢驗(yàn)壓下量。由于預(yù)制物增強(qiáng)體3板材編織的不均勻性，壓下量只能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。安裝熱電偶。用手觸摸熱電偶尖部，靠體溫升溫，觀察溫度表是否升溫，以檢驗(yàn)熱電偶是否工作。然后將熱電偶尖部嚴(yán)格插入預(yù)制物增強(qiáng)體厚度的一半處。
步驟4化學(xué)液氣相熱解基體前驅(qū)物。
從儲箱4中用泵5向沉積室6內(nèi)泵入六甲基二硅氮烷前軀物，使液面略微超過預(yù)制物增強(qiáng)體均勻板材的頂部8毫米。然后記錄液面計(jì)的高度。
通入氮?dú)獗Ｗo(hù)氣體至沉積室6內(nèi)，連續(xù)工作通氮?dú)?0分鐘，以把沉積室內(nèi)的絕大部分空氣排出為準(zhǔn)。
致密化沉積接通冷卻水箱7通冷卻水，接通電源8通電加熱預(yù)制物增強(qiáng)體3，由室溫10分鐘均勻升到800℃，致密化沉積中不斷通過液體泵從儲箱4中泵入的方式補(bǔ)充前軀物，最好保持到原來的液面高度。由于液面沸騰，液面高度不斷波動，可在切斷電源8的情況下正確判斷油面高度，以便加前軀物量正確。沉積時(shí)間8小時(shí)。沉積中嚴(yán)禁水和含水物質(zhì)進(jìn)入沉積室6內(nèi)。
步驟5取出產(chǎn)品。切斷動力源，自然降溫后排出剩余六甲基二硅氮烷前軀物至儲箱4。冷卻后從向沉積室6取出致密化的最終產(chǎn)品。
實(shí)施例3步驟1增強(qiáng)體準(zhǔn)備。檢查密度大于0.3g/cm3的全炭布穿刺編織體均勻板材預(yù)制物增強(qiáng)體，厚度50mm，寬度500mm，長度2000mm。不允許有大于4mm碰傷。在烘箱中100℃空氣中烘干兩小時(shí)后，放置在任意干凈平整的鐵板上，用毛刷刷去表面灰塵。
步驟2沉積室準(zhǔn)備。鋼板制沉積室壁夾層由冷卻水冷卻，檢查水循環(huán)系統(tǒng)是否有泄漏，清潔沉積室。
步驟3增強(qiáng)體安裝。銅電極分別與電源8電連接，兩銅電極1工作面必須保持水平，并在同一水平面上。在銅電極1上水平放置四周平直的石墨墊塊2，然后安放預(yù)制物增強(qiáng)體3，其上再安放石墨墊塊2，讓預(yù)制物增強(qiáng)體3處于上下兩層石墨墊塊的中間。夾緊兩層石墨墊塊2和其間的預(yù)制物增強(qiáng)體3。同時(shí)用游標(biāo)卡尺測量壓下量約為4～6毫米?？蛇x用適當(dāng)厚度的塊規(guī)檢驗(yàn)壓下量。由于預(yù)制物增強(qiáng)體3板材編織的不均勻性，壓下量只能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。安裝熱電偶。用手觸摸熱電偶尖部，靠體溫升溫，觀察溫度表是否升溫，以檢驗(yàn)熱電偶是否工作。然后將熱電偶尖部嚴(yán)格插入預(yù)制物增強(qiáng)體厚度的一半處。
步驟4化學(xué)液氣相熱解基體前驅(qū)物。
從儲箱4中用泵5向沉積室6內(nèi)泵入六甲基二硅氮烷前軀物，使液面略微超過預(yù)制物增強(qiáng)體均勻板材的頂部10毫米。然后記錄液面計(jì)的高度。
通入氮?dú)獗Ｗo(hù)氣體至沉積室6內(nèi)，連續(xù)工作通氮?dú)?0分鐘，以把沉積室內(nèi)的絕大部分空氣排出為準(zhǔn)。
致密化沉積接通冷卻水箱7通冷卻水，接通電源8通電加熱預(yù)制物增強(qiáng)體3，由室溫10分鐘均勻升到900℃，致密化沉積中不斷通過液體泵從儲箱4中泵入的方式補(bǔ)充前軀物，最好保持到原來的液面高度。由于液面沸騰，液面高度不斷波動，可在切斷電源8的情況下正確判斷油面高度，以便加前軀物量正確。沉積時(shí)間15小時(shí)。沉積中嚴(yán)禁水和含水物質(zhì)進(jìn)入沉積室6內(nèi)。
步驟5取出產(chǎn)品。切斷動力源，自然降溫后排出剩余六甲基二硅氮烷前軀物至儲箱4。冷卻后從向沉積室6取出致密化的最終產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種制備碳/碳-碳化硅復(fù)合材料的方法，其特征在于，包括下述步驟1)將厚度為1～50mm、密度為0.3g/cm3的二維正交連續(xù)炭纖維與短炭纖維混編穿刺氈均勻板材預(yù)制物增強(qiáng)體，或者全炭布穿刺編織體均勻板材預(yù)制物增強(qiáng)體，放在烘箱中，在80～100℃烘干兩小時(shí)后，清潔預(yù)制物增強(qiáng)體表面；2)將兩塊銅電極調(diào)整在同一水平面上并分別與電源電連接，在銅電極上水平放置四周平直的石墨墊塊，然后安放預(yù)制物增強(qiáng)體，其上再安放石墨墊塊，讓預(yù)制物增強(qiáng)體處于上下兩個(gè)石墨墊塊的中間，將石墨墊塊與預(yù)制物增強(qiáng)體緊固，然后將熱電偶尖部嚴(yán)格插入預(yù)制物增強(qiáng)體厚度的一半處；3)向沉積室內(nèi)注入六甲基二硅氮烷前軀物，使液面超過預(yù)制物增強(qiáng)體5～10毫米，給沉積室連續(xù)通入氮?dú)?0～30分鐘，排除沉積室內(nèi)空氣，接通冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，接通電源加熱預(yù)制物增強(qiáng)體，在10分鐘由室溫均勻升到700～900℃，期間不斷注入六甲基二硅氮烷前軀物，并保持液面高度超過預(yù)制物增強(qiáng)體5～10毫米，保溫0.5～15小時(shí)；4)關(guān)閉電源，自然降溫至室溫，回收沉積室剩余六甲基二硅氮烷前軀物，取出產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備碳/碳－碳化硅復(fù)合材料的方法，包括下述步驟將預(yù)制物增強(qiáng)體放在烘箱中烘干，在預(yù)制物增強(qiáng)體兩端上下放置石墨墊塊并緊固后放置在銅電極上，向沉積室注入六甲基二硅氮烷前軀物，并連續(xù)通入氮?dú)馀懦练e室內(nèi)空氣，接通電源加熱預(yù)制物增強(qiáng)體，在10分鐘由室溫均勻升到700～900℃，期間不斷注入六甲基二硅氮烷前軀物保持液面高度，保溫0.5～15小時(shí)后關(guān)閉電源，自然降溫至室溫，回收沉積室剩余六甲基二硅氮烷前軀物，取出產(chǎn)品。由于采用了六甲基二硅氮烷作為基體前驅(qū)物和預(yù)制物增強(qiáng)體直接通電加熱，制備時(shí)間從現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)月以上降低到0.5～15小時(shí)；而且一次連續(xù)沉積周期即完成制備；前軀物利用率從現(xiàn)有技術(shù)的不到5％提高到50％。
文檔編號C04B35/52GK1884205SQ20061004303
公開日2006年12月27日 申請日期2006年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月27日
發(fā)明者喬生儒, 盧國鋒, 鐘杰華, 張程煜 申請人:西北工業(yè)大學(xué)