[发明专利]一种高织构炭基复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高温结构复合材料技术领域，尤其涉及一种高织构炭基 复合材料及制备方法。

背景技术

炭基复合材料由于其性能优异，在民用和军用领域已经得到广泛应 用，特别是作为高温结构材料应用于航空航天领域。炭基复合材料的制 备需将预制体进行致密化，即用碳源先驱体在预制体表面形成热解炭， 从而填充预制体空隙，实现预制体致密化，因此热解炭结构直接影响炭 基复合材料的性能，而在各种热解炭类型中，高织构热解炭具有高密度、 高导热系数、高强度和稳定的摩擦系数等优点。

预制体材料、碳源前驱体及致密化工艺控制会直接影响热解炭结构 的形成。炭纤维编制预制体存在生产成本高、成型性不好、编制过程中 容易断丝等问题，甚至在炭纤维预制体表面很难形成高织构热解炭，目 前预氧丝逐渐替代炭纤维应用在炭基复合材料中，其中应用最广泛的就 是PAN(聚丙烯腈)基预氧丝。

从前驱体角度而言，目前碳源主要有甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙 烷、丙烯、1，3-丁二烯和苯等。采用单一气源为前驱体存在很多缺点， 例如采用纯甲烷制备高温结构复合材料虽然产生杂质焦油量少，但是在 预制体表面形成大量炭黑杂质，不容易获得高织构热解炭；而纯丙烷丙 烯由于分子体积较大，扩散系数小，在预制体内渗透难度大，很容易在 外部造成封孔，并且生成的热解炭多为中织构，最终导致材料密度低性 能差。因此国内外学者开展了混合气源的研发，目前主要有：Becker和 Hüttinger等采用氢气做为载气进行化学气相渗透，发现氢气对热解炭沉 积有抑制作用，可以减少封孔，降低密度梯度，但是同时降低了沉积速 度，使得沉积时间大大延长；中南大学采用丙烯/乙炔混合气源制得到炭 /炭复合材料，得到了高织构热解炭，但是仍然存在密度梯度和制备周期 长的问题。因此为了提高预制体织构化程度高、缩短制备周期，需要研 发一种新型的混合碳源和致密化工艺来制备性能优异的高织构炭基复合 材料。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种高织构炭基复合材料及制备 方法，用以解决现有高织构热解炭制备困难、制备周期长的问题，不仅 使热解炭织构化程度高、缩短制备周期，同时得到的复合材料性能优异。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明一种高织构炭基复合材料，包括炭基体与增强体，所述增强 体为聚丙烯腈基预氧丝制备的预制体，所述炭基体为通过以甲烷、乙烯 和萘为碳源的分布致密化工艺沉积在所述预制体表面的热解炭。

本发明一种高织构炭基复合材料的制备方法，包括预制体的碳化、 石墨化和致密化过程，所述致密化采用以甲烷、乙烯和萘为碳源的分步 致密化，分步致密化具体步骤如下：

(1)在0～70h阶段，控制反应器温度为900～1100℃，通入保护气体 氮气，控制反应器气压为16～20kPa，甲烷与乙烯的流量比为5:1～6:1，甲 烷与萘的流量比为：50:1～100:1；

(2)在70～120h阶段，控制反应器温度为1100～1200℃，通入保护 气体氮气，控制反应器气压为12～16kPa，甲烷与乙烯的流量比为6:1～8:1， 甲烷与萘的流量比为：100:1～150:1；

(3)在120～150h阶段，控制反应器温度为1200～1300℃，通入保护 气体氮气，控制反应器气压为8～12kPa，甲烷与乙烯的流量比为8:1～10:1， 甲烷与萘的流量比为：150:1～200:1。

进一步地，所述致密化中采用的反应器为CVI气相沉积炉。

进一步地，在所述步骤(1)前将所述反应器内抽真空至低于100Pa， 并以100～200℃/h的升温速率匀速升温至900～1100℃。

进一步地，所述萘放在鼓泡瓶内通过鼓泡法以氢气为载体通入所述 反应器中，其中所述鼓泡瓶加热至130～150℃。

进一步地，所述碳化采用高温炉，并在氩气保护气氛下进行，其中 所述碳化温度为900～1300℃，所述碳化时间为10～50h，所述氩气气压为 10～50kPa，流量100L/h，碳化后所述预制体中纤维占预制体的体积分数 为30～40％。

进一步地，所述石墨化采用高温炉，并在氩气保护气氛下进行，其 中所述石墨化温度为1600～2300℃，所述石墨化时间为5～50h，所述氩气 气压为5～20kPa。