一種低成本碳/碳復(fù)合材料的快速制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低成本碳/碳復(fù)合材料的快速制備方法，屬?gòu)?fù)合材料領(lǐng)域，主要用于降低高致密度碳/碳復(fù)合材料的制備周期和成本。通過(guò)對(duì)定型后的碳纖維織物進(jìn)行纖維束內(nèi)復(fù)合形成低密度碳/碳復(fù)合材料，然后通過(guò)碳纖維束間填充碳顆粒，變大孔為微孔，然后通過(guò)低壓液相浸漬碳化或化學(xué)氣相滲透，聯(lián)合高溫?zé)崽幚慝@得高密度碳/碳復(fù)合材料。本發(fā)明制備碳/碳復(fù)合材料的方法與傳統(tǒng)方法相比，可以實(shí)現(xiàn)高致密度碳/碳復(fù)合材料制備周期的大幅縮減和制造成本的大幅降低。
【專利說(shuō)明】
一種低成本碳/碳復(fù)合材料的快速制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種低成本碳/碳復(fù)合材料的快速制備方法，屬于復(fù)合材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]碳/碳復(fù)合材料由于具有耐高溫、高溫力學(xué)性能優(yōu)異、高溫尺寸穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航天飛行器的高溫部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)喉襯、噴管、飛行器端頭等燒蝕部件。傳統(tǒng)的碳/碳復(fù)合材料可以通過(guò)液相或氣相方法制備，其中液相方法主要采用瀝青或樹脂為前驅(qū)體通過(guò)反復(fù)的加壓浸漬、碳化和高溫?zé)崽幚淼裙ば騺?lái)制備，而氣相方法則主要為通過(guò)化學(xué)氣相滲透(CVI)技術(shù)將烴類有機(jī)氣體高溫?zé)峤夂蟪练e到碳纖維織物中。通常液相法可以獲得較高密度的碳/碳復(fù)合材料，通過(guò)高壓(壓力可達(dá)50MPa以上)致密化其密度可達(dá)2.0g/cm3以上;而單純的CVI方法形成的碳/碳復(fù)合材料密度較低，通常低于1.6g/cm3。結(jié)合液相方法繼續(xù)利用高壓致密化工藝對(duì)CVI方法制備的碳/碳復(fù)合材料進(jìn)行增密，也可以獲得密度高于1.8g/cm3以上的碳/碳復(fù)合材料。在傳統(tǒng)的高致密度碳/碳復(fù)合材料的成型過(guò)程中，高壓致密化工藝是實(shí)現(xiàn)材料中大孔填充的關(guān)鍵。正是由于采用了多次低壓液相致密化或長(zhǎng)時(shí)間的CVI工藝和后續(xù)多次的液相高壓致密化工藝，致使高致密度(1.8g/cm3以上)碳/碳復(fù)合材料的制備周期很長(zhǎng)，通常不會(huì)少于5個(gè)月，而且由于采用了高壓、甚至超高壓致密化設(shè)備，材料的制造成本非常高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明技術(shù)解決問題:克服現(xiàn)有高致密度碳/碳復(fù)合材料制備周期長(zhǎng)、成本高溫的問題，提供一種低成本碳/碳復(fù)合材料的快速制備方法，實(shí)現(xiàn)高致密度碳/碳復(fù)合材料的快速、低成本制備。
[0004]本發(fā)明技術(shù)解決方案:預(yù)先對(duì)碳纖維織物進(jìn)行定型，然后采用液相浸漬碳化或化學(xué)氣相沉積(CVI)方法對(duì)碳纖維束內(nèi)孔隙進(jìn)行填充，然后通過(guò)碳顆粒對(duì)纖維束間進(jìn)行填充，將束間大孔分割成微孔，然后通過(guò)液相低壓浸漬碳化和高溫?zé)崽幚矸椒ㄐ纬筛咧旅芏鹊奶?碳復(fù)合材料，具體如下:
[0005](I)采用常壓浸漬樹脂或?yàn)r青并固化、碳化處理或進(jìn)行短時(shí)間化學(xué)氣相滲透(CVI)致密化來(lái)實(shí)現(xiàn)碳纖維織物的定型；織物定型過(guò)程中通過(guò)仿形工裝保持其外形，防止織物變形;完成后獲得定型碳纖維織物；
[0006](2)將定型碳纖維織物采用低壓浸漬樹脂或?yàn)r青并固化后進(jìn)行碳化處理，或?qū)⒍ㄐ吞祭w維織物長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行化學(xué)氣相滲透(CVI)增密，將纖維束內(nèi)孔隙基本填充，再進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，獲得低密度碳/碳復(fù)合材料；
[0007](3)將粒度小于碳纖維束間孔隙尺寸的碳質(zhì)顆粒通過(guò)與液相載體混合，然后真空-加壓浸漬到低密度碳/碳復(fù)合材料中纖維束間的孔隙內(nèi)，形成碳顆粒填充碳/碳復(fù)合材料；
[0008](4)對(duì)碳顆粒填充碳/碳復(fù)合材料繼續(xù)采用低壓浸漬樹脂或?yàn)r青并固化后進(jìn)行碳化處理，或?qū)μ碱w粒填充碳/碳復(fù)合材料繼續(xù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間化學(xué)氣相滲透(CVI)致密化和高溫?zé)崽幚?，形成高致密度?碳復(fù)合材料。
[0009]步驟(1)、步驟(2)和步驟(4)所述樹脂為在高溫?zé)峤夂笠蕴細(xì)埩魹橹鞯臉渲ǚ尤渲?、糠酮樹?所述瀝青為浸漬劑瀝青，可以為煤基、石油基及合成瀝青中的一種或多種。
[0010]步驟(I)所述的常壓浸漬過(guò)程，為將定型工裝固定的碳纖維織物在常壓下在液相樹脂或熔融的瀝青中浸漬的過(guò)程;樹脂浸漬在常溫下進(jìn)行，樹脂的流動(dòng)性可通過(guò)溶劑加入量的多少來(lái)控制;瀝青浸漬則需要在加熱形成的瀝青液體中進(jìn)行。
[0011]步驟(I)所述仿形工裝為固定織物形狀，具有開敞性特點(diǎn)的模具、夾板，材質(zhì)為石墨材料、碳/碳復(fù)合材料或金屬，其中石墨材料和碳/碳復(fù)合材料仿形工裝可進(jìn)一步應(yīng)用于碳化處理和高溫?zé)崽幚磉^(guò)程，而金屬工裝僅能進(jìn)一步用于碳化處理。
[0012]步驟(I)所述的短時(shí)間進(jìn)行化學(xué)氣相滲透(CVI)致密化是指以丙烷、丙烯、甲烷氣相熱解沉積到碳纖維表面形成薄層熱解碳基體的過(guò)程，其中致密化時(shí)間較短，不超過(guò)10h;優(yōu)化沉積時(shí)間為I Oh?50h。
[0013]步驟(2)所述的低壓浸漬過(guò)程為將定型后的碳纖維織物在較低的加壓情況下進(jìn)行浸漬液相樹脂或?yàn)r青的過(guò)程，其中加壓壓力為0.1?3MPa。
[0014]步驟(2)和步驟(4)所述長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行化學(xué)氣相滲透(CVI)增密過(guò)程為比步驟(I)時(shí)間更長(zhǎng)的氣相增密過(guò)程，沉積時(shí)間為10h?500h。
[0015]步驟(2)所述低壓浸漬過(guò)程或CVI過(guò)程可以重復(fù)進(jìn)行I?2次，直到低密度碳/碳復(fù)合材料的密度比碳纖維織物增加20%?50 %。
[0016]步驟(3)所述碳顆粒是以碳為主要成分的固體粉體，包括石墨粉、碳黑、碳纖維粉末。
[0017]步驟(3)所述的液相載體為能夠?qū)⑻假|(zhì)顆粒均勻分散到其中的液相體系，包括醇類、酮類、苯系物、樹脂中的一種或幾種。
[0018]步驟(3)所述的真空-加壓浸漬過(guò)程為先對(duì)低密度碳/碳復(fù)合材料進(jìn)行抽真空，然后用含有碳質(zhì)顆粒的液相載體將低密度碳/碳復(fù)合材料浸沒后加壓浸漬的過(guò)程，加壓壓力為0.1?5MPa;為提高碳顆粒的填充度可以將真空-浸漬過(guò)程重復(fù)進(jìn)行;浸漬完成后將液相載體通過(guò)干燥去除或通過(guò)加熱固化。
[0019]步驟(2)和步驟(4)所述的高溫?zé)崽幚磉^(guò)程為最高不超過(guò)2000°C的熱處理過(guò)程。
[0020]步驟(4)所述的樹脂或?yàn)r青浸漬、固化、碳化和高溫?zé)崽幚磉^(guò)程可以反復(fù)進(jìn)行，直到碳/碳復(fù)合材料的密度達(dá)到預(yù)定密度或達(dá)到高致密度1.8g/cm3以上;其中最后一次高溫?zé)崽幚頊囟炔怀^(guò)1500°C，以保持碳/碳復(fù)合材料較高的力學(xué)性能。
[0021 ]步驟(4)所述的浸漬壓力在I?5MPa范圍內(nèi)。
[0022]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為:
[0023](I)本技術(shù)方法通過(guò)引入碳顆粒物質(zhì)大大提高了致密化效率，使制備高致密度碳/碳復(fù)合材料的周期縮短30%以上，制造成本降低40%以上。
[0024](2)本技術(shù)方法通過(guò)織物纖維束內(nèi)預(yù)先形成基體碳，可以保證纖維束內(nèi)的充分填充和界面結(jié)合；同時(shí)通過(guò)控制最高熱處理溫度和最后一次高溫?zé)崽幚頊囟瓤梢杂行П３痔?碳復(fù)合材料的力學(xué)性能不因快速制備而大幅降低。
[0025](3)本技術(shù)方法可以通過(guò)低壓浸漬碳化或/和化學(xué)氣相滲透法實(shí)現(xiàn)，而摒棄了制備高致密化材料所需的高壓致密化工藝，從而避免了高壓、超高壓致密化設(shè)備，使高致密度碳/碳復(fù)合材料成本降低的同時(shí)，工藝安全性也得到了大大提高。
【具體實(shí)施方式】
[0026]實(shí)施例1:
[0027]I)采用密度為0.6g/cm3的針刺碳纖維平板織物，厚度為30mm。利用帶篩孔的石墨平板作為仿形工裝，通過(guò)石墨螺栓將其固定。然后放入酚醛樹脂的乙醇溶液中進(jìn)行常壓浸漬。浸漬完成后取出后去除表面多余樹脂，然后進(jìn)行加熱固化。對(duì)固化的浸漬織物在900°C下碳化lh，得到定型了的碳纖維織物。
[0028]2)將定型了的碳纖維織物浸入酚醛樹脂中然后加壓至IMPa進(jìn)行加壓液相浸漬，取出后去除表面多余樹脂，然后進(jìn)行加熱固化。對(duì)固化的浸漬織物在900°C下碳化2h，然后在進(jìn)行2000 0C高溫?zé)崽幚?h，得到了低密度碳/碳復(fù)合材料，其密度約為0.85g/cm3。
[0029]3)以粒度為5微米的石墨粉作為填充碳顆粒，將其充分分散到乙醇中，形成濃度約50g/100g的懸浮液，然后在壓力為3MPa的情況下進(jìn)行加壓浸漬，將石墨粉填充到低密度碳/碳復(fù)合材料中，然后通過(guò)加熱揮發(fā)去除乙醇溶劑。重復(fù)一次填充過(guò)程，獲得碳顆粒填充碳/碳復(fù)合材料。
[0030]4)將碳顆粒填充碳/碳復(fù)合材料置于熔融中溫煤瀝青中，在3MPa的壓力下進(jìn)行液相浸漬，經(jīng)900 °C碳化和1800 °C高溫?zé)崽幚砗?，再進(jìn)行4MPa壓力下的液相瀝青浸漬，經(jīng)900 °C碳化和1800 0C高溫?zé)崽幚砗?，再進(jìn)行5MPa壓力下的液相瀝青浸漬，經(jīng)900 °C碳化和1500 °C高溫?zé)崽幚砗螳@得密度1.85g/cm3的碳/碳復(fù)合材料。
[0031]對(duì)比例:將與本實(shí)施例相同的織物經(jīng)過(guò)上述(I)和(2)后獲得低密度碳/碳復(fù)合材料，然后以中溫煤瀝青為浸漬劑采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行高壓致密化和高溫?zé)崽幚恚磸?fù)進(jìn)行三次后獲得密度約1.85g/cm3碳/碳復(fù)合材料。
[0032]經(jīng)測(cè)試，本技術(shù)方法制備高致密度碳/碳復(fù)合材料周期為3個(gè)月。與對(duì)比例中傳統(tǒng)方法獲得的碳/碳復(fù)合材料相比，制備周期和成本分別降低38%和50%以上，力學(xué)性能基本相當(dāng)，未出現(xiàn)明顯下降。
[0033]實(shí)施例2:
[0034]I)采用密度為0.9g/cm3的縫合碳纖維平板織物，厚度為15mm。利用帶篩孔的石墨平板作為仿形工裝，通過(guò)石墨螺栓將其固定。然后采用化學(xué)氣相沉積工藝進(jìn)行定型。以丙烷為前驅(qū)體，在1000°c下致密化30h，得到定型了的碳纖維織物。
[0035]2)將定型了的碳纖維織物去除仿形工裝后，繼續(xù)進(jìn)行化學(xué)氣相沉積增密。以丙烷為前驅(qū)體，在1000 °C下致密化300h后進(jìn)行1800 V高溫?zé)崽幚?，得到了低密度?碳復(fù)合材料，其密度約為l.lg/cm3。
[0036]3)以碳黑作為填充碳顆粒，將其充分分散到用乙醇稀釋的樹脂溶液中，形成濃度約為30g/100g的懸浮液，然后在壓力為5MPa的情況下進(jìn)行加壓浸漬，將碳黑填充到低密度碳/碳復(fù)合材料中，然后通過(guò)加熱揮發(fā)去除乙醇溶劑并固化樹脂。重復(fù)一次填充過(guò)程，獲得碳顆粒填充碳/碳復(fù)合材料。
[0037]4)將碳顆粒填充碳/碳復(fù)合材料置于酚醛樹脂中，在3MPa的壓力下進(jìn)行液相浸漬，經(jīng)900 0C碳化和1800 0C高溫?zé)崽幚砗螅龠M(jìn)行4MPa壓力下的樹脂浸漬，經(jīng)900 °C碳化和2000°C高溫?zé)崽幚砗?，再進(jìn)行5MPa壓力下的樹脂浸漬，經(jīng)900°C碳化和1500°C高溫?zé)崽幚砗螳@得密度為1.89g/cm3的碳/碳復(fù)合材料。
[0038]對(duì)比例:將與本實(shí)施例相同的織物經(jīng)過(guò)上述(I)和(2)后獲得低密度碳/碳復(fù)合材料，然后以中溫煤瀝青為浸漬劑采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行高壓致密化和高溫?zé)崽幚?，反?fù)進(jìn)行三次后獲得密度約1.90g/cm3碳/碳復(fù)合材料。
[0039]經(jīng)測(cè)試，本技術(shù)方法制備高致密度碳/碳復(fù)合材料周期為2.5個(gè)月。與對(duì)比例中傳統(tǒng)方法獲得的碳/碳復(fù)合材料相比，制備周期和成本分別降低45%和45%以上，力學(xué)性能基本相當(dāng)，未出現(xiàn)明顯下降。
[0040]實(shí)施例3:
[0041]I)采用密度為l.lg/cm3的三向碳纖維塊體織物，厚度為50mm。利用壁面帶篩孔的金屬槽作為仿形工裝，織物與工裝間沒有明顯間隙。然后放入酚醛樹脂的乙醇溶液中進(jìn)行常壓浸漬。浸漬完成后取出去除表面多余樹脂，然后進(jìn)行加熱固化。對(duì)固化的浸漬織物在900 °C下碳化3h，得到定型了的碳纖維織物。
[0042]2)將定型了的碳纖維織物去除仿形工裝后，繼續(xù)進(jìn)行化學(xué)氣相沉積增密。以丙烯為前驅(qū)體，在1000 °C下致密化50h后進(jìn)行1800 0C高溫?zé)崽幚?，得到了低密度?碳復(fù)合材料，其密度約為1.31g/cm30
[0043]3)以研磨獲得的碳纖維粉末(粒度約10微米)作為填充碳顆粒，將其充分分散到用甲苯中，形成濃度約為25g/100g的懸浮液，然后在壓力為5MPa的情況下進(jìn)行加壓浸漬，將碳纖維顆粒填充到低密度碳/碳復(fù)合材料中，然后通過(guò)加熱揮發(fā)去除甲苯溶劑。重復(fù)一次填充過(guò)程，獲得碳顆粒填充碳/碳復(fù)合材料。
[0044]4)將碳顆粒填充碳/碳復(fù)合材料置于熔融中溫石油瀝青中，在3MPa的壓力下進(jìn)行液相浸漬，經(jīng)900 °C碳化和2000 0C高溫?zé)崽幚砗螅龠M(jìn)行4MPa壓力下的瀝青浸漬，經(jīng)900 V碳化和2000°C高溫?zé)崽幚砗?，再進(jìn)行5MPa壓力下的瀝青浸漬，經(jīng)900°C碳化和1500°C高溫?zé)崽幚砗螳@得密度1.89g/cm3的碳/碳復(fù)合材料。
[0045]對(duì)比例:將與本實(shí)施例相同的織物經(jīng)過(guò)上述(I)和(2)后獲得低密度碳/碳復(fù)合材料，然后以中溫煤瀝青為浸漬劑采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行高壓致密化和高溫?zé)崽幚?，反?fù)進(jìn)行四次后獲得密度約1.95g/cm3碳/碳復(fù)合材料。
[0046]經(jīng)測(cè)試，本技術(shù)方法制備高致密度碳/碳復(fù)合材料周期為3個(gè)月。與對(duì)比例中傳統(tǒng)方法獲得的碳/碳復(fù)合材料相比，制備周期和成本分別降低45%和60%以上，力學(xué)性能下降不超過(guò)5%，未出現(xiàn)明顯下降。
[0047]實(shí)施例4:
[0048]I)采用密度為0.9g/cm3的縫合碳纖維平板織物，厚度為15mm。利用帶篩孔的碳/碳復(fù)合材料平板作為仿形工裝，通過(guò)碳/碳復(fù)合材料螺栓將其固定。然后放入熔融的中溫瀝青中進(jìn)行常壓浸漬。浸漬完成后取出去除表面多余瀝青，在900°C下碳化2h，得到定型了的碳纖維織物。
[0049]2)將定型了的碳纖維織物去除仿形工裝后，繼續(xù)進(jìn)行化學(xué)氣相沉積增密。以甲烷為前驅(qū)體，在1000 °C下致密化50h后進(jìn)行2000 0C高溫?zé)崽幚?，得到了低密度?碳復(fù)合材料，其密度約為1.18g/cm30
[0050]3)以粒度約5微米的人造石墨粉作為填充碳顆粒，將其充分分散到用酚醛樹脂中，形成濃度約為30g/100g的懸浮液，用乙醇調(diào)控其流動(dòng)性后在壓力為5MPa的情況下對(duì)低密度碳/碳復(fù)合材料進(jìn)行加壓浸漬，將碳顆粒填充到低密度碳/碳復(fù)合材料纖維束間，然后通過(guò)加熱揮發(fā)去除乙醇，并固化樹脂。重復(fù)一次填充過(guò)程，獲得碳顆粒填充碳/碳復(fù)合材料。
[0051]4)將碳顆粒填充碳/碳復(fù)合材料置于酚醛樹脂中，在3MPa的壓力下進(jìn)行液相浸漬，經(jīng)900 0C碳化和1800 0C高溫?zé)崽幚砗?，再進(jìn)行4MPa壓力下的樹脂浸漬，經(jīng)900 °C碳化和2000°C高溫?zé)崽幚砗?，再進(jìn)行5MPa壓力下的樹脂浸漬，經(jīng)900°C碳化和1800°C高溫?zé)崽幚砗?，再進(jìn)行一次5MPa壓力下的樹脂浸漬、900°C碳化和1500°C高溫?zé)崽幚?，獲得密度為1.92g/cm3的碳/碳復(fù)合材料。
[0052]對(duì)比例:將與本實(shí)施例相同的織物經(jīng)過(guò)上述(I)和(2)后獲得低密度碳/碳復(fù)合材料，然后以中溫煤瀝青為浸漬劑采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行高壓致密化和高溫?zé)崽幚?，反?fù)進(jìn)行四次后獲得密度約1.96g/cm3碳/碳復(fù)合材料。
[0053]經(jīng)測(cè)試，本技術(shù)方法制備高致密度碳/碳復(fù)合材料周期為3.3個(gè)月。與對(duì)比例中傳統(tǒng)方法獲得的碳/碳復(fù)合材料相比，制備周期和成本分別降低42%和55%以上，力學(xué)性能基本相當(dāng)，未出現(xiàn)明顯下降。
[0054]實(shí)施例5:
[0055]I)采用密度為0.6g/cm3的針刺碳纖維平板織物，厚度為30mm。利用帶篩孔的石墨材料平板作為仿形工裝，通過(guò)石墨材料螺栓將其固定。然后放入熔融的中溫瀝青中進(jìn)行常壓浸漬。浸漬完成后取出去除表面多余瀝青，在900°C下碳化2h，得到定型了的碳纖維織物。
[0056]2)將定型了的碳纖維織物去除仿形工裝后，繼續(xù)進(jìn)行化學(xué)氣相沉積增密。以甲烷為前驅(qū)體，在1000 °C下致密化SOh后進(jìn)行1800 0C高溫?zé)崽幚?，得到了低密度?碳復(fù)合材料，其密度約為0.86g/cm3o
[0057]3)以粒度在3微米?20微米的碳纖維粉末作為填充碳顆粒，將其充分分散到用酚醛樹脂的乙醇溶液中，形成濃度約為30g/100g的懸浮液，然后在壓力為5MPa的情況下對(duì)低密度碳/碳復(fù)合材料進(jìn)行加壓浸漬，將碳顆粒填充到低密度碳/碳復(fù)合材料纖維束間，然后通過(guò)加熱揮發(fā)去除乙醇，并固化樹脂。重復(fù)兩次填充過(guò)程，獲得碳顆粒填充碳/碳復(fù)合材料。
[0058]4)將碳顆粒填充碳/碳復(fù)合材料置于熔融中溫瀝青中，在3MPa的壓力下進(jìn)行液相浸漬，經(jīng)900°C碳化后，再進(jìn)行4MPa壓力下的樹脂浸漬，經(jīng)900°C碳化和2000°C高溫?zé)崽幚砗?，再進(jìn)行5MPa壓力下的樹脂浸漬，經(jīng)900°C碳化和1800°C高溫?zé)崽幚砗?，再進(jìn)行一次5MPa壓力下的樹脂浸漬、900°C碳化和1500°C高溫?zé)崽幚?，獲得密度為1.83g/cm3的碳/碳復(fù)合材料。
[0059]對(duì)比例:將與本實(shí)施例相同的織物經(jīng)過(guò)上述(I)和(2)后獲得低密度碳/碳復(fù)合材料，然后以中溫煤瀝青為浸漬劑采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行高壓致密化和高溫?zé)崽幚?，反?fù)進(jìn)行四次后獲得密度約1.86g/cm3碳/碳復(fù)合材料。
[0060]經(jīng)測(cè)試，本方法制備高致密度碳/碳復(fù)合材料周期為3.5個(gè)月。與對(duì)比例中傳統(tǒng)方法獲得的碳/碳復(fù)合材料相比，制備周期和成本分別降低40%和52%以上，力學(xué)性能基本相當(dāng)，未出現(xiàn)明顯下降。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種低成本碳/碳復(fù)合材料的快速制備方法，其特征在于步驟包括: (1)采用常壓浸漬樹脂或?yàn)r青并固化、碳化處理或進(jìn)行短時(shí)間化學(xué)氣相滲透(CVI)致密化來(lái)實(shí)現(xiàn)碳纖維織物的定型;織物定型過(guò)程中通過(guò)仿形工裝保持其外形，防止織物變形;完成后獲得定型碳纖維織物； (2)將定型碳纖維織物采用低壓浸漬樹脂或?yàn)r青并固化后進(jìn)行碳化處理，或?qū)⒍ㄐ吞祭w維織物長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行化學(xué)氣相滲透(CVI)增密，將纖維束內(nèi)孔隙基本填充，再進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，獲得低密度碳/碳復(fù)合材料； (3)將粒度小于碳纖維束間孔隙尺寸的碳質(zhì)顆粒通過(guò)與液相載體混合，然后真空-加壓浸漬到低密度碳/碳復(fù)合材料中纖維束間的孔隙內(nèi)，形成碳顆粒填充碳/碳復(fù)合材料； (4)對(duì)碳顆粒填充碳/碳復(fù)合材料繼續(xù)采用低壓浸漬樹脂或?yàn)r青并固化后進(jìn)行碳化處理，或?qū)μ碱w粒填充碳/碳復(fù)合材料繼續(xù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間化學(xué)氣相滲透(CVI)致密化和高溫?zé)崽幚恚纬筛咧旅芏忍?碳復(fù)合材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低成本碳/碳復(fù)合材料的快速制備方法，其特征在于:步驟(1)、步驟(2)和步驟(4)所述樹脂為在高溫?zé)峤夂笠蕴細(xì)埩魹橹鞯臉渲?，包括酚醛樹脂、糠酮樹?所述瀝青為浸漬劑瀝青，可以為煤基、石油基及合成瀝青中的一種或多種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低成本碳/碳復(fù)合材料的快速制備方法，其特征在于:步驟(I)所述的常壓浸漬過(guò)程，為將定型工裝固定的碳纖維織物于常壓下在液相樹脂或熔融的瀝青中浸漬的過(guò)程;樹脂浸漬在常溫下進(jìn)行，樹脂的流動(dòng)性通過(guò)溶劑加入量的多少來(lái)控制;瀝青浸漬則需要在加熱形成的瀝青液體中進(jìn)行。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低成本碳/碳復(fù)合材料的快速制備方法，其特征在于:步驟(I)所述仿形工裝為固定織物形狀，具有開敞性特點(diǎn)的模具、夾板，材質(zhì)為石墨材料、碳/碳復(fù)合材料或金屬，其中石墨材料和碳/碳復(fù)合材料仿形工裝可進(jìn)一步應(yīng)用于碳化處理和高溫?zé)崽幚磉^(guò)程，而金屬工裝僅能進(jìn)一步用于碳化處理。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低成本碳/碳復(fù)合材料的快速制備方法，其特征在于:步驟(I)所述的短時(shí)間進(jìn)行化學(xué)氣相滲透(CVI)致密化是指以丙烷、丙烯、甲烷氣相熱解沉積到碳纖維表面形成薄層熱解碳基體的過(guò)程，其中致密化時(shí)間較短，不超過(guò)10h;優(yōu)化沉積時(shí)間為1h?50h。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低成本碳/碳復(fù)合材料的快速制備方法，其特征在于:步驟(2)所述的低壓浸漬過(guò)程為將定型后的碳纖維織物在較低的加壓情況下進(jìn)行浸漬液相樹脂或?yàn)r青的過(guò)程，其中加壓壓力為0.1?3MPa。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低成本碳/碳復(fù)合材料的快速制備方法，其特征在于:步驟(2)和步驟(4)所述長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行化學(xué)氣相滲透(CVI)增密過(guò)程為比步驟(I)時(shí)間更長(zhǎng)的氣相增密過(guò)程，沉積時(shí)間為I OOh?500h。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低成本碳/碳復(fù)合材料的快速制備方法，其特征在于:步驟(2)所述低壓浸漬過(guò)程或CVI過(guò)程可以重復(fù)進(jìn)行I?2次，直到低密度碳/碳復(fù)合材料的密度比碳纖維織物增加20%?50%。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低成本碳/碳復(fù)合材料的快速制備方法，其特征在于:步驟(3)所述碳顆粒是以碳為主要成分的固體粉體，包括石墨粉、碳黑、碳纖維粉末。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低成本碳/碳復(fù)合材料的快速制備方法，其特征在于:步驟(3)所述的液相載體為能夠?qū)⑻假|(zhì)顆粒均勻分散到其中的液相體系，包括醇類、酮類、苯系物、樹脂中的一種或幾種。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低成本碳/碳復(fù)合材料的快速制備方法，其特征在于:步驟(3)所述的真空-加壓浸漬過(guò)程為先對(duì)低密度碳/碳復(fù)合材料進(jìn)行抽真空，然后用含有碳質(zhì)顆粒的液相載體將低密度碳/碳復(fù)合材料浸沒后加壓浸漬的過(guò)程，加壓壓力為0.1?5MPa;為提高碳顆粒的填充度可以將真空-浸漬過(guò)程重復(fù)進(jìn)行;浸漬完成后將液相載體通過(guò)干燥去除或通過(guò)加熱固化。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低成本碳/碳復(fù)合材料的快速制備方法，其特征在于:步驟(2)和步驟(4)所述的高溫?zé)崽幚磉^(guò)程為最高不超過(guò)2000°C的熱處理過(guò)程。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低成本碳/碳復(fù)合材料的快速制備方法，其特征在于:步驟(4)所述的樹脂或?yàn)r青浸漬、固化、碳化和高溫?zé)崽幚磉^(guò)程可以反復(fù)進(jìn)行，直到碳/碳復(fù)合材料的密度達(dá)到預(yù)定密度或達(dá)到高致密度1.8g/cm3以上;其中最后一次高溫?zé)崽幚頊囟炔怀^(guò)1500°C，以保持碳/碳復(fù)合材料較高的力學(xué)性能。14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低成本碳/碳復(fù)合材料的快速制備方法，其特征在于:步驟(4)所述的浸漬壓力在I?5MPa范圍內(nèi)。
【文檔編號(hào)】C04B35/626GK105924199SQ201610267194
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月27日
【發(fā)明人】李同起, 張中偉, 梅敏, 馮志海
【申請(qǐng)人】航天材料及工藝研究所, 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院