[发明专利]一种液相-气相沉积碳纤维/碳复合热场材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种液相‑气相沉积碳纤维/碳复合热场材料及其制备方法。本发明通过浸渍纳米碳纤维‑复合碳纤维布‑针刺加强‑多层复合和针刺‑浸渍树脂+固化‑碳化‑CVD气相沉积等材料结构的设计和工艺过程制备出一种密度高、强度高、收缩率低、热场传热性能好、抗氧化性高、纯度高、且制备工艺相对快速的高强高密度碳纤维/碳复合热场材料。碳纤维/碳复合热场材料的密度可以控制在1.5‑1.8g/cm³，弯曲强度可以达到150‑180MPa，抗压缩强度可以达到230‑280MPa(⊥)，90‑110MPa(∥)，线收缩率低于9×10^‑6/K(⊥)，1×10^‑6/K(∥)。灰分可以控制在质量分数小于0.02％，在面内的导热系数可以达到30W/mK，在Z向上的导热系数可以控制在7W/mK以内。

技术领域

本发明涉及高强高密度碳纤维/碳复合场材料技术领域，具体涉及一种液相-气相沉积碳纤维/碳复合热场材料及其制备方法。

背景技术

高密度高强碳纤维/碳热场材料因具有优越的力学强度、低收缩率、合适的传热性能、高抗氧化性、金属杂质含量低即纯度高等优点，而被广泛应用于单晶硅直拉炉热场、硅半导体长晶炉热场、碳化硅半导体长晶炉热场、光纤拉伸炉热场、以及蓝宝石长晶炉热场等高温热场中，特别是在太阳能硅晶炉中被用作坩埚和承力结构件。

现有的高密度碳纤维/碳热场材料的主要制备工艺过程中,其主要的制备过程包括两种制备工艺：(1)反复浸渍碳化法：碳纤维预制体-浸渍树脂-碳化-反复浸渍和碳化提高密度-高温热处理；(2)气相沉积法：碳纤维预制体-气相沉积-高温热处理。反复浸渍碳化法在浸渍树脂过程中，使用大量溶剂污染环境，碳化过程中也会产生大量的焦油和废气污染环境，反复浸渍工序多，耗能高，污染大，同时容易发生应力集中，影响力学性能；气相沉积法是一个将烷烃类如甲烷通过高温裂解的方式裂解碳沉积到预制体表面的方法，这个沉积过程漫长，另外连续性纤维编织体容易阻碍气体扩散，从而造成内外沉积不均匀。

浸渍树脂、高温碳化污染环境、应力集中力学性能低、气相沉积时间漫长、内外沉积不均匀、效率低下，这些问题亟待新材料和新方法来解决。

发明内容

本发明的目的是克服现有材料和制备方法的不足之处，提供一种密度高、强度高、收缩率低、热场传热性能好、抗氧化性高、纯度高、且制备工艺相对快速的液相-气相沉积碳纤维/碳复合热场材料。

本发明的另一目的在于提出一种具有新型结构的液相-气相沉积碳纤维/碳复合热场材料的制备方法。

本发明采用的技术方案如下所述：

一种液相-气相沉积碳纤维/碳复合热场材料，制备所述碳纤维/碳复合热场材料的原材料组成及其质量份数包括：

碳纤维软毡：100份

纳米碳纤维胶：1-5份

碳纤维布：25-30份

胶黏剂体系：50-150份

CVD沉积碳：100-300份

所述碳纤维软毡为硅烷偶联剂处理过的碳纤维软毡，碳纤维软毡是由长碳纤维经过气流成网-针刺成毡工艺制备得到，碳纤维软毡的Z向纤维与X-Y面内纤维之比为1：(50-150)，密度为500-700克/米²，厚度为10±1毫米；所述长碳纤维的长度为10-15厘米。

本发明进一步包括以下优选的技术方案：

优选的，所述碳纤维布为硅烷偶联剂处理过的碳纤维布，所用的碳纤维为聚丙烯腈基、黏胶基、沥青基的一种，碳纤维为连续纤维，碳纤维布的面密度约为200-300克/米²。