[发明专利]一种晶须改性碳/碳复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳/碳复合材料的制备方法，特别是一种纳米SiO₂晶须改性碳/碳复合材料的制备方法。

背景技术

碳/碳复合材料是一种以碳纤维增强碳基体的先进复合材料，具有比重轻、高温稳定性好、热膨胀系数低、抗热冲击、抗烧蚀性能及摩擦磨损性能好等一系列优异性能，已广泛应用于航空航天、核能、化工、机械制造等各个领域。随着碳/碳复合材料应用领域的进一步深化和拓展，对其热物理性能，如石墨化度、热导率及电阻率等提出了更高的要求。传统的碳/碳复合材料采用化学气相沉积(CVI)工艺制备，它利用碳氢气体在高温下的裂解，产生气态碳原子并沉积到碳纤维表面生成热解碳实现，碳/碳复合材料的性能受热解碳的结构控制。由于高温裂解反应属于复杂的聚合与裂变反应，反应过程及热解碳产物难控，致使碳/碳复合材料的结构及导热、导电等热物理性能不理想。对碳纤维实施表面处理，增加碳纤维表面的粗糙度、比表面积和活性点，会有利于热解碳的形核，改善热解碳结构，提高碳/碳复合材料性能，如采用等离子体轰击碳纤维，使其表面发生重排、激发、振荡、级联碰撞，改变碳纤维表面状态，可提高CVI效率。但等离子体轰击成本高，且等离子束的可控性较差，不利于工业化生产。本发明将纳米SiO₂晶须引入全网胎碳纤维预制体，以此作为CVI过程中热解碳的形核剂，改变热解碳沉积环境，提高碳/碳复合材料性能。

对于全网胎碳纤维预制体，采用外加无机物晶须改善热解碳结构的技术，在现有资料中还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种纳米晶须改性碳/碳复合材料的制备方法。

本发明一种晶须改性碳/碳复合材料的制备方法，包括下述步骤：

步骤一

将纳米SiO₂晶须均匀散布在每层碳纤维网胎的表面，得到带有纳米SiO₂晶须的碳纤维网胎层；然后将所得带有纳米SiO₂晶须的碳纤维网胎层逐层叠铺后编织，得到碳纤维预制体；

步骤二

在以碳源气体和稀释气体组成的气氛下，对步骤一所得碳纤维预制体进行化学气相渗透处理(CVI)；得到得到含有热解碳的碳纤维坯体；所述化学气相渗透处理的温度为980～1000℃；

步骤三

在保护气氛下，对步骤二所得含有热解碳的碳纤维坯体进行石墨化处理，得到晶须改性碳/碳复合材料；所述石墨化处理的温度为2300～2400℃。

本发明一种晶须改性碳/碳复合材料的制备方法，所述纳米SiO₂晶须的直径为80～120nm、优选为80～110nm、进一步优选为90～100nm，长度为0.9～1.2μm、优选为0.9～1.1μm、进一步优选为0.9～1.0μm。

本发明一种晶须改性碳/碳复合材料的制备方法，步骤一中，将15～20层带有纳米SiO₂晶须的碳纤维网胎层逐层叠铺后编织，得到碳纤维预制体；所述碳纤维预制体的密度为0.2～0.3g/cm³。

本发明一种晶须改性碳/碳复合材料的制备方法，编织时，以带倒钩穿刺针针刺勾连各带有纳米SiO₂晶须的碳纤维网胎层，得到碳纤维预制体。

本发明一种晶须改性碳/碳复合材料的制备方法，所述碳纤维预制体中，纳米SiO₂晶须的质量百分含量为6～8％，优选为6～7.5％，进一步优选为6～7％。

本发明一种晶须改性碳/碳复合材料的制备方法，化学气相渗透处理时，所用碳源气体选自丙烯、甲烷中的一种；所用稀释气体选自氮气、氢气中的一种；化学气相渗透处理的工艺参数为：温度为980～1000℃、压力为10～12kPa；碳源气体的流量为3.0～4L/min、稀释气体的流量为4.5～6L/min；时间为60～80小时。

本发明一种晶须改性碳/碳复合材料的制备方法，所述石墨化处理是：

在保护气氛下，先以750-1200℃/h的升温速率从室温升温至1800℃，然后以190～210℃/h升温至2000℃，再按140～160℃/h升温至2300～2400℃，保温1～2h，然后随炉冷却至室温，得到晶须改性碳/碳复合材料。