[发明专利]一种高强度炭/炭复合材料的快速制备方法

权利要求书

1.一种高强度炭/炭复合材料的快速制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、芯模准备：根据目标产物炭/炭复合材料，加工得到耐高温缠绕芯模；所述耐高温缠绕芯模的外型面结构与目标产物炭/炭复合材料的内型面结构相似，且耐高温缠绕芯模的外型面尺寸小于目标产物炭/炭复合材料内型面尺寸；

步骤二、催化剂负载/预制件缠绕成型一体化：将步骤一中得到的耐高温缠绕芯模安装在缠绕机上，并在耐高温缠绕芯模表面铺放厚度为0.01mm～2mm的石墨膜或石墨纸作为脱模层，然后启动缠绕机，调节耐高温缠绕芯模的旋转速度及缠绕角度，采用1～8束浸渍催化剂水溶液的连续炭纤维按照线型设计进行缠绕，直至达到设计厚度，得到炭纤维表面负载有催化剂的缠绕预制件；所述催化剂水溶液为Ni(NO₃)₂、Fe(NO₃)₂和Co(NO₃)₂中的一种或两种以上催化组分的水溶液，且当催化剂水溶液中催化组分为一种时，催化组分的质量浓度为1％～5％，当催化剂水溶液中对华组分为两种以上时，催化组分的总质量浓度不超过5％；

步骤三、原位合成碳纳米管：将步骤二中得到的炭纤维表面负载有催化剂的缠绕预制件连同耐高温缠绕芯模进行干燥去除水分，然后放入Ar或N₂气氛沉积炉中，在500Pa～10KPa的压力、700℃～1000℃恒温下通入甲烷、乙烷或乙炔，并同时通入还原性气体H₂，进行化学气相沉积5min～30min，得到炭纤维表面生长有碳纳米管的缠绕件；

步骤四、增密处理：采用树脂浸渍裂解工艺或化学气相沉积工艺对步骤三中得到的炭纤维表面生长有碳纳米管的缠绕件进行增密处理，得到增密缠绕件；

所述树脂浸渍裂解工艺进行增密处理的具体过程为：将炭纤维表面生长有碳纳米管的缠绕件连同耐高温缠绕芯模放入真空压力树脂浸渍固化炉中，先在1KPa～50KPa的真空度下浸渍2h～8h，然后在0.8MPa～2.0MPa的压力、180℃～250℃的温度下固化3h～6h，再转入炭化炉中在800℃～1100℃的温度下炭化3h～5h；

所述化学气相沉积工艺进行增密处理的具体过程为：将炭纤维表面生长有碳纳米管的缠绕件连同耐高温缠绕芯模放入化学气相沉积设备中，在1KPa～20KPa的压力、900℃～1200℃的温度下充入碳源气体丙烯或乙炔以及稀释气体氩气或氮气，进行沉积15h～200h；

步骤五、高温处理：将步骤四中得到的增密缠绕件连同耐高温缠绕芯模装入石墨化炉中，然后在惰性气氛氮气或氩气保护下、1800℃～2700℃的温度下进行高温处理3h～8h，得到高温处理缠绕件；

步骤六、脱模处理：采用脱模工装对步骤五中得到的高温处理缠绕件进行脱模，得到高强度炭/炭复合材料缠绕成型件；

步骤七、表面处理：将步骤六中得到的高强度炭/炭复合材料缠绕成型件进行表面处理，得到高强度炭/炭复合材料；所述表面处理为机加工艺、化学气相沉积涂层工艺和卤素纯化工艺中的一种或两种以上；

所述机加工艺的过程为：采用车床、铣床或磨床机加设备对高强度炭/炭复合材料缠绕成型件进行表面精机加工处理；

所述化学气相沉积涂层工艺的过程为：将高强度炭/炭复合材料缠绕成型件放入化学气相沉积设备中，在1KPa～20KPa的压力、900℃～1200℃的温度下充入碳源气体丙烯、乙炔和硅源气体一甲基三氯硅烷中的一种或两种以上，以及稀释气体氩气、氮气或氢气，进行沉积10h～20h；

所述卤素纯化工艺的过程为：将高强度炭/炭复合材料缠绕成型件放入纯化炉中，采用氯气或/和氟利昂作为纯化气体，在2000℃～2500℃的温度下纯化3h～5h。

2.根据权利要求1所述的一种高强度炭/炭复合材料的快速制备方法，其特征在于，步骤一中所述耐高温缠绕芯模的材质为石墨或炭/炭复合材料，所述耐高温缠绕芯模的外型面尺寸与目标产物炭/炭复合材料内型面的尺寸差值为目标产物炭/炭复合材料在制备工艺中的径向膨胀量，且径向膨胀量为0.5mm～6mm。