[发明专利]一种高强度炭/炭复合材料的快速制备方法

说明书

本发明公开了一种高强度炭/炭复合材料的快速制备方法，该方法包括：一、加工得到耐高温缠绕芯模；二、采用浸渍催化剂水溶液的连续炭纤维进行缠绕；三、化学气相沉积得到炭纤维表面生长有碳纳米管的缠绕件；四、增密处理得到增密缠绕件；步骤五、高温处理得到高温处理缠绕件；六、脱模得到高强度炭/炭复合材料缠绕成型件；七、表面处理得到高强度炭/炭复合材料。本发明采用浸渍催化剂水溶液的连续炭纤维为原料，结合化学气相沉积工艺，使得缠绕预制件内部沿着孔隙原位生长碳纳米管，在不损伤炭纤维、充分发挥炭纤维强度的同时，起到了连接强化炭纤维/炭纤维束的作用，提高了缠绕预制件层间结合性能以及炭/炭复合材料的强度。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种高强度炭/炭复合材料的快速制备方法。

背景技术

缠绕成型炭/炭复合材料产品具有纤维增强体体积含量高、纤维强度保持率较高、结构可设计性强的优点，具有高强度炭/炭复合材料的制备和工程化应用潜力。但是，由于通过常规缠绕成型工艺获得的炭/炭复合材料为二维结构，垂直纤维缠绕的方向缺少增强相，层间结合较弱，在后续制备和应用过程中容易发生分层、鼓包等缺陷，从而使缠绕成型炭/炭复合材料难以作为整体发挥出优异的综合性能。

申请号为201811299908.1的专利公开了一种新型长寿命炭/炭复合材料坩埚预制体的制作方法，以连续炭纤维单纱为原料，通过多次交替重复连续缠绕、包覆和整体连续缠绕并逐层进行针刺，较好地解决了缠绕成型炭/炭复合材料的层间结合性能，增强了坩埚预制体的整体性，提高了炭/炭坩埚的环向拉伸强度，解决了坩埚纵向开裂的问题，延长了炭/炭坩埚的使用寿命。申请号为201510237415.5的专利公开了一种Zpin连接纤维复合材料喷管预制体成型方法，采用超声波等手段将炭棒沿厚度方向插入缠绕层，与针刺技术相比，Z-pin的连接效果明显，同时降低了对基体材料的损伤程度。尽管以上技术均在一定程度上改善了缠绕成型炭/炭复合材料的层间结合性能，但很明显的，不管使用针刺技术，或者Zpin技术，都是将层间增强纤维通过外力方式强行插入，不可避免的会对密实的缠绕炭纤维形成损伤，即在提高层间结合性能的同时，会导致纤维强度发挥率下降，从而削弱环向拉伸强度、轴向拉伸强度等性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高强度炭/炭复合材料的快速制备方法。该方法采用浸渍催化剂水溶液的连续炭纤维为原料，结合化学气相沉积工艺，使得缠绕预制件内部沿着孔隙原位生长碳纳米管，在不损伤炭纤维、充分发挥炭纤维强度的同时，起到了连接强化炭纤维/炭纤维束的作用，大大提高了缠绕预制件层间结合性能，从而提高了炭/炭复合材料的强度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：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％；