[发明专利]碳/碳复合模具及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种碳/碳复合模具及其制备方法和应用，该制备方法首先在钢模上包裹碳纤维材料，形成至少一层包裹层，然后在包裹层上上缠绕长碳纤维以使长碳纤维呈螺旋状；螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间具有间隔；再于螺旋状的长碳纤维上包裹碳纤维材料，得到第一碳/碳预制毛坯，碳纤维材料每次出现时，分别独立地选自碳纤维单向布或碳纤维网胎，然后在第一碳/碳预制毛坯上重复进行包裹和缠绕步骤n次，烘烤后脱除钢模，得到第二碳/碳预制毛坯；其中，n为大于或等于1的整数；最后进行碳沉积，得到碳/碳复合模具。该制备方法制得的碳/碳复合模具的拉升强度高且使用寿命长。

技术领域

本发明涉及热压模具技术领域，特别是涉及一种碳/碳复合模具及其制备方法和应用。

背景技术

热压工艺是一种将模压与烧结相结合的材料成型方法，将单向或三向压力作用于装在石墨或其它刚性模具中的粉末压坯或松散粉末上，在高温下使粉末产生塑性变形或蠕变的粉末冶金致密化方法，常用于制备陶瓷材料如氮化硅、碳化硼等，以及难以烧结的金属和合金材料如Ti-Al基合金等。因热压工艺的工作温度较高，一般在1000℃以上，因此热压工艺要求模具材料具有良好的耐高温性、及在高温下具有较高的强度。

目前常用的热压模具为石墨材料，压缩强度大，但抗折强度及拉伸强度低，容易发生脆性断裂。近年来，技术人员采用碳布环向缠绕，或针刺成型制成碳纤维预制体，再通过化学气相渗透和/或树脂压力浸渍碳化制得致密预制体，最后进行高温处理并机械加工即可制得碳/碳热压模具，相对于石墨模具，其抗拉强度。然而，随着热压技术应用范围的拓展，现有的制备工艺制得碳/碳复合模具的强度还不足以满足热压工艺的需求，且在使用一段时间以后，常出现长碳纤维一圈一圈地掉下来的现象，导致模具报废。

因此，如何研发一种能制得拉升强度高且使用寿命长的碳/碳复合模具的制备方法具有重要意义。

发明内容

基于此，本发明提供了一种拉升强度高、使用寿命长的碳/碳复合模具及其制备方法和应用。

本发明的技术方案如下。

本发明的一方面提供了一种碳/碳复合模具的制备方法，包括如下步骤：

（1）在钢模上包裹碳纤维材料，形成至少一层包裹层，然后在所述包裹层上缠绕长碳纤维以使所述长碳纤维呈螺旋状；所述螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间具有间隔；再于所述螺旋状的长碳纤维上包裹碳纤维材料，得到第一碳/碳预制毛坯；所述碳纤维材料每次出现时，分别独立地选自碳纤维单向布或碳纤维网胎；

（2）在所述第一碳/碳预制毛坯上重复进行步骤（1）的包裹和缠绕步骤重复操作n次，烘烤后脱除钢模，得到第二碳/碳预制毛坯；

其中，n为大于或等于1的整数；相邻两次缠绕步骤形成的所述螺旋状的长碳纤维在所述钢模上的投影呈交错设置；

当步骤（1）中形成所述包裹层的所述碳纤维材料包括碳纤维单向布时，所述螺旋状的长碳纤维的螺旋轴与所述碳纤维单向布中的碳纤维的经向相同，步骤（1）和步骤（2）中的包裹的碳纤维单向布中的碳纤维的经向相同；

（3）将所述第二碳/碳预制毛坯采用化学气相沉积法进行碳沉积，得到碳/碳复合模具。

在其中一些实施例中，在步骤（1）和步骤（2）中的所述缠绕的步骤中，以所述钢模的同一端为缠绕起点，控制相邻两次缠绕的步骤的缠绕方向相反。

在其中一些实施例中，在步骤（1）和步骤（2）中的所述缠绕的步骤中，控制所述螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间的间隔的距离为0.5毫米~6毫米。

在其中一些实施例中，所述长碳纤维选自1K碳碳纤维束、3K碳碳纤维束、6K碳碳纤维束和12K碳碳纤维束中的至少一种。