專利名稱：一種高性能炭基復合材料性能的調控方法
一種髙性能炭基復合材料性能的調控方法
所屬領域
本發(fā)明涉及一種材料性能調控技術，特別是涉及一種高性能炭基復合材料性 能的調控方法，屬于炭基復合材料技術領域。
背景技術：
炭基復合材料由于其在高溫下具有高比強度及比模量、良好的耐燒蝕性能、 熱物理性能、摩擦磨損性能等，已被成功地用于戰(zhàn)略核武器的導彈鼻錐、火箭發(fā) 動機的噴管喉襯、航天飛機的鼻錐和機翼前緣以及飛機剎車盤等軍事、航空航天 領域。
通過調整、控制炭基復合材料各組元及整體的石墨化狀態(tài)、程度，可以賦予
炭基復合材料不同的綜合性能。固體碳經過180(TC以上高溫處理后碳的亂層結構 部分或全部轉變?yōu)槭Y構。炭基復合材料的石墨化度只由高溫處理時所達到的 最高溫度決定，在等溫條件下，維持到一定時間后就不再變化；石墨化處理溫度 越高，這一馳豫時間越短。高溫熱處理是炭基復合材料制備過程中非常重要的工 序，隨著熱處理溫度的升高，材料的導熱、導電能力增強，摩擦磨損性能得到改 善，但是力學性能降低。通常對于炭纖維，隨著處理溫度提高，強度先升高后降 低，轉折溫度約為190(TC，而對于炭基復合材料，石墨化處理使得熱解炭基體復 合材料彎曲強度和模量降低。炭基復合材料的干態(tài)平均動摩擦系數隨著石墨化處
理溫度的升高而逐漸降低，而濕態(tài)平均動摩擦系數和干態(tài)靜摩擦系數則由小變 大。炭基復合材料由于應用的領域不同而對其性能的要求也有較大的差異，通過 調整熱處理溫度可以獲得最佳性能的材料。

發(fā)明內容
1、目的為了克服現(xiàn)有技術在高性能炭基復合材料性能控制技術方面的不
3足，本發(fā)明的目的是提供一種高性能炭基復合材料性能的調控方法，它在最短的 時間以最低的成本實現(xiàn)炭基復合材料各項性能(包括力學、熱物理和摩擦磨損等 性能)的最優(yōu)調控。
2、 技術方案本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是 一種高性能炭 基復合材料性能的調控方法，該方法具體步驟如下-
步驟一選初始密度為0.40g/ci^ 0.60g/cmS炭基復合材料炭纖維預制體，作為原
始加工材料，放入快速定向滲積爐內；
步驟二實施化學氣相滲積快速制備技術工藝，(此工藝有另一專利申請)使炭
基復合材料的密度為1.70g/cm^l.80g/cm3，熱解炭的結構為均一粗糙層熱解炭。 步驟三在快速定向滲積爐中，對密度為1.70g/cm、1.80g/cr^的炭基復合材料 進行化學氣相定向滲積處理并升溫至2300。C 240(TC，高溫熱處理保溫2小時。
其中，所述步驟三中的化學氣相定向滲積處理，是在快速定向滲積爐內以 0 120(TC自由升溫并抽真空，真空度為一0.1MPa ;
其中，所述步驟三中的化學氣相定向滲積處理，是在快速定向滲積爐內的溫度 到達120(TC時，通入壓力為40kPa 60kPa的氬氣；
其中，所述步驟三中的化學氣相定向滲積處理，是在快速定向滲積爐內以 120(TC 180(TC進行程序升溫，升溫速率為20(TC/h 30(TC/h ;
其中，所述步驟三中的化學氣相定向滲積處理，是在快速定向滲積爐內以 1800'C保溫lh進行處理；
其中，所述步驟三中的化學氣相定向滲積處理，是在快速定向滲積爐內以 180(rC 2300。C/2400'C進行程序升溫，升溫速率為150。C/h ~200°C/h 。
3、 優(yōu)點及效果本發(fā)明一種高性能炭基復合材料性能的調控方法，它是通
過不同階段的程序控溫，控制不同階段熱解炭結構的相轉變，實現(xiàn)炭基復合材料 內熱解炭和炭纖維有效相轉變，有效避免因熱處理導致炭纖維和熱解炭界面結合 減弱使得炭基復合材料性能下降。經過性能調控的炭基復合材料石墨化度在
40%~80%，力學性能適中，韌性、熱物理和摩擦磨損性能好，非常適合作為飛 機剎車盤和火箭整流罩等高溫結構件，在航空航天領域具有廣泛的應用價值。
具體實施例方式
本發(fā)明一種高性能炭基復合材料性能的調控方法，它的具體實施例如下 實施例l:
本發(fā)明一種高性能炭基復合材料性能的調控方法，它的具體實施步驟如下-
(1) 選初始密度為0.50g/cn^炭基復合材料炭纖維預制體，作為原始加工材料， 放入快速定向滲積爐內；
(2) 實施化學氣相滲積快速制備技術工藝，炭基復合材料快速定向滲積后的密 度為1.75g/cm3，熱解炭結構為均一粗糙層結構；
(3) 將快速定向滲積的炭基復合材料放入高溫熱處理爐內，抽真空至真空表的 壓力為一0.1MPa，自由升溫至1200。C，沖入氬氣，熱處理爐內壓力達到50kPa， 20(TC程序升溫至180(TC，保溫1小時，15(TC程序升溫至240(TC，保溫2小時。 本實施例所制備的準三維針刺炭基復合材料經過英國英斯特朗公司生產的 Instron5565電子萬能試驗機測試，彎曲強度達至'J165MPa，在MM-1000型摩擦試 驗機上測試的動摩擦系數為0.32，靜摩擦系數為0.17。
實施例2:
本發(fā)明一種高性能炭基復合材料性能的調控方法，它的具體實施步驟如下
(1) 選初始密度為0.55g/cmS炭基復合材料炭纖維預制體，作為原始加工材料， 放入快速定向滲積爐內；
(2) 實施化學氣相滲積快速制備技術工藝，炭基復合材料快速定向滲積后的密 度為1.80g/cm3，熱解炭結構為均一粗糙層結構；
(3) 將快速定向滲積的炭基復合材料放入高溫熱處理爐內，抽真空至真空表的 壓力為一0.1MPa，自由升溫至120(TC，沖入氬氣，熱處理爐內壓力達到50kPa， 250。C程序升溫至180(TC,保溫1小時，200'C程序升溫至230(TC，保溫2小時。 本實施例所制備的準三維針刺炭基復合材料經過英國英斯特朗公司生產的 Instron5565電子萬能試驗機測試，彎曲強度達到170MPa，在MM-1000型摩擦試 驗機上測試的動摩擦系數為0.35，靜摩擦系數為0.18。
權利要求
1、一種高性能炭基復合材料性能的調控方法，其特征在于該方法具體步驟如下步驟一選初始密度為0.40g/cm3～0.60g/cm3炭基復合材料炭纖維預制體，作為原始加工材料，放入快速定向滲積爐內；步驟二在快速定向滲積爐內實施化學氣相滲積快速制備技術工藝，使炭基復合材料的密度為1.70g/cm3～1.80g/cm3，熱解炭的結構為均一粗糙層熱解炭；步驟三在快速定向滲積爐中，對密度為1.70g/cm3～1.80g/cm3的炭基復合材料進行化學氣相定向滲積處理并升溫至2300℃～2400℃，高溫熱處理保溫2小時。
2、 根據權利要求l所述一種高性能炭基復合材料性能的調控方法，其特征在于 步驟三中所述的化學氣相定向滲積處理，是在快速定向滲積爐內以0 1200。C自由 升溫并抽真空，真空度為一0.1MPa。
3、 根據權利要求l所述一種高性能炭基復合材料性能的調控方法，其特征在于 步驟三中所述的化學氣相定向滲積處理，是在快速定向滲積爐內的溫度到達1200 。C時，通入壓力為40kPa 60kPa的氬氣。
4、 根據權利要求l所述一種高性能炭基復合材料性能的調控方法，其特征在于步驟三中所述的化學氣相定向滲積處理，是在快速定向滲積爐內以1200'C 1800 'C進行程序升溫，升溫速率為20(TC/h 30(TC/h。
5、 根據權利要求l所述一種高性能炭基復合材料性能的調控方法，其特征在于 步驟三中所述的化學氣相定向滲積處理，是在快速定向滲積爐內以180(TC保溫lh 進行處理。
6、 根據權利要求l所述一種高性能炭基復合材料性能的調控方法，其特征在于 步驟三中所述的化學氣相定向滲積處理，是在快速定向滲積爐內以1800'C 2300 。C/2400。C進行程序升溫，升溫速率為150。C/h 200。C/。
全文摘要
一種高性能炭基復合材料性能的調控方法，該方法有三大步驟步驟一選初始密度為0.40g/cm³～0.60g/cm³炭基復合材料炭纖維預制體，作為原材料，放入快速定向滲積爐內；步驟二對其實施化學氣相滲積快速制備技術工藝，使炭基復合材料的密度為1.70g/cm³～1.80g/cm³，熱解炭的結構為均一粗糙層熱解炭；步驟三在滲積爐中，對密度為1.70g/cm³～1.80g/cm³的炭基復合材料進行化學氣相定向滲積處理并升溫至2300℃～2400℃，高溫熱處理保溫2小時。經過本方法性能調控的炭基復合材料，石墨化度在40％～80％，力學性能適中，韌性、熱物理和摩擦磨損性能好，非常適合作為飛機剎車盤和火箭整流罩等高溫結構件，在航空航天領域具有廣泛的實用價值和應用前景。
文檔編號C04B35/83GK101671187SQ20091009394
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月23日 優(yōu)先權日2009年9月23日
發(fā)明者朱天文, 李進松, 田廣來, 章勁草, 章怡寧, 羅瑞盈 申請人:北京航空航天大學