[发明专利]用炭纳米纤维增强炭/炭构件的方法

说明书

(一)技术领域：

本发明提供一种用炭纳米纤维增强炭/炭构件的方法，属于炭/炭复合材料

技术领域。

(二)背景技术：

炭/炭(C/C)复合材料由于其具有良好的耐烧蚀性能、热物理性能、摩擦磨损性能和高温力学性能，已被成功地用于战略核武器的导弹鼻锥、火箭发动机的喷管喉衬和飞机刹车盘等航空航天领域。把C/C复合材料作为高温长时间使用的结构材料，用于制造航空发动机热端部件，是目前世界上先进国家研究和发展的方向，世界各发达国家研究新一代高推比航空发动机无一不是把C/C复合材料作为高温关键材料来考虑的。我国新型航空发动机，拟选用这种材料制造喷口密封片、调节片、内锥体等零件，并逐步应用于核心机受力转动件上，如涡轮叶片、盘等。作为高温结构C/C复合材料，要求同时具有高的力学和热物理性能，以及良好的抗氧化等性能。为了提高其力学性能，一方面使用高性能的炭纤维，但目前高性能炭纤维的来源问题在我国还没有很好解决，另一方面要采用优化的编织技术和良好的复合工艺，即使如此这一要求仍难以满足。因此提高力学性能问题已成为将C/C复合材料作为高温结构材料应用的关键问题之一。

炭纳米纤维同时具有高强度、高弹性和高刚度等优异特性，使得人们对其增强复合材料充满了期待，并认为将是炭纳米纤维最具前途的应用领域，由于炭纳米管的端面碳五元环的存在，增强了它的反应活性，在外界高温和其他反应物质存在的条件下，极易被其它组元浸润，并形成复合材料。将炭纳米纤维作为增强剂，研究质量轻、高强度和韧性的炭纳米结构复合材料已成为是近年来新材料研制的一个热点，人们发现，在聚合物基、金属基、陶瓷基复合材料中加入炭纳米管后，能提高材料的机械性能和电性能。因此，该技术的核心是研制出具有高力学性能、良好热物理性能的C/C复合材料。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种用炭纳米纤维增强炭/炭构件的方法，以制备高力学性能，高热物理性能和摩擦磨损性能的炭纳米纤维增强炭/炭复合材料。

本发明的技术方案分为以下几部分：添加炭纳米纤维的预制体的制备、预制体的致密化、高温热处理。其具体步骤如图1所示。

1.添加炭纳米纤维的预制体的制备

预制体是用炭纳米纤维均匀沉积在表面的平纹炭布叠加而成的，选用的平纹炭布为1K高强聚丙烯腈(PAN)基平纹炭布，是由高强聚丙烯腈炭纤维束编织而成的，每束的炭纤维含量为1000根，炭布在预制体中作为支架，而炭布中的炭纤维作为第一增强体，选用的炭纳米纤维作为第二增强体沉积在炭布表面，炭纳米纤维为平板状、管状或者鱼刺状。预制体中炭纤维的体积含量为40％。具体工艺如下：

a.炭纳米纤维的分散

首先，把炭布和炭纳米纤维在真空气氛下干燥；然后，把占炭纤维质量5％-20％的炭纳米纤维分散在有机溶液(甲醇或乙醇)中，采用超声波分散，同时进行机械搅拌10-15小时。把炭布平铺在装有有机溶液并将炭纳米纤维分散后的器皿中，在室温下放置10-15小时，由于溶液的挥发作用，使得炭纳米纤维均匀沉积在炭布表面，将炭纳米纤维沉积在炭布表面的过程重复2-5次，得到占炭纤维质量5％-20％的炭纳米纤维沉积在炭布表面，如图3所示。

b.预制体的制备

把含炭纳米纤维的炭布叠加在自制石墨夹具上，该石墨夹具为空心石墨柱，在石墨柱径向上均匀分布着8-16个圆孔，每层圆孔之间的距离为预制体的厚度，如图4所示。相邻两层炭布的夹角为90度(炭布方向为炭布编织的纹理方向)，然后固定，即得到预制体，如图2所示。

2.预制体的致密化

采用等温化学气相渗积(ICVI)工艺对添加炭纳米纤维的预制体致密化，

具体工艺如下：

将所制备的预制体放在真空气相沉积炉，升温到950～1200℃，以甲烷、丙烷或天然气等碳氢气体为沉积气源，氮气或氩气等气体为稀释气体，沉积压力为0.5～5kPa。当预制体处在这种环境中，碳氢气体分解出热解碳和废气。热解碳吸附沉积在预制体的空隙、裂纹和纤维表面，而废气通过真空泵排出。通过控制反应气体的压力和流量、反应温度、样品的摆放，得到热解碳结构主要为粗糙层。沉积时间为500-650小时，其密度为1.70-1.75g/cm³。

3.高温热处理

对经过致密化的材料进行高温热处理。把材料放在真空碳化炉中，在氮气或氩气等气体保护的状态下，以30～50℃/h的升温速率，升温到2000-2300℃，并保温3～5h，即得成品。

其中，该炭纳米纤维、炭布、碳氢气体和氮气是工业标准，而有机溶液为分析纯标准。