專利名稱：國產(chǎn)炭纖維快速定向滲積制備高性能炭基復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種炭纖維快速定向滲積制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，特別 是涉及一種國產(chǎn)炭纖維快速定向滲積制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，屬于炭基 復(fù)合材料快速制備技術(shù)領(lǐng)域。
(二)
背景技術(shù)：
炭纖維增強(qiáng)炭基復(fù)合材料自1958年在美國CHANCE VOUGHT實驗室偶然 誕生以來就受到廣泛的關(guān)注，特別是作為耐高溫和耐磨損材料已廣泛應(yīng)用于航 空、航天等領(lǐng)域。炭基復(fù)合材料具有結(jié)構(gòu)和功能雙重優(yōu)點，能夠滿足其作為航空 剎車副的各項要求，自1973年第一次用于飛機(jī)剎車以來，全世界已有40種以上 的民用飛機(jī)和22種以上的軍用飛機(jī)采用了碳剎車盤。化學(xué)氣相滲透和液相浸漬 工藝是制備炭基復(fù)合材料的主要方法。傳統(tǒng)的等溫等壓化學(xué)氣相滲積(chemical vapor infiltration, CVI)工藝具有工藝參數(shù)容易控制，能成型復(fù)雜幾何形狀制品 等優(yōu)點，而廣泛應(yīng)用工業(yè)化生產(chǎn)，但坯體在致密化過程中容易表面結(jié)殼阻礙沉積， 需要多次中斷沉積進(jìn)行機(jī)械加工除去表面殼層，因而致密化周期長(600 2000h)。 樹脂、瀝青液相浸漬工藝通常在常壓或者減壓下進(jìn)行，依靠增加浸漬一炭化一石 墨化循環(huán)次數(shù)致密制品，容易制得致密、尺寸穩(wěn)定的制品，但是工藝效率低且液 體難以浸漬到坯體的微孔中去，制品易產(chǎn)生微裂紋和分層等缺陷。對此發(fā)展了高 壓浸漬工藝，但所使用的壓力都在2MPa以上，工藝復(fù)雜，對設(shè)備要求高，導(dǎo)致 材料成本上升。目前，國內(nèi)生產(chǎn)炭基復(fù)合材料釆用的炭纖維主要從日本東麗公司 和日本東邦公司購買。隨著我國炭纖維工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)日漸成熟，國產(chǎn)炭纖維批量 生產(chǎn)問題已逐漸解決，山東威海光威集團(tuán)生產(chǎn)的CCF型號炭纖維密度達(dá)到 1.77g/cm3，拉伸強(qiáng)度達(dá)到3.95GPa，模量達(dá)到227GPa，斷裂伸長率達(dá)到1.84%，炭纖維性能和日本東麗公司生產(chǎn)T300系列炭纖維性能相當(dāng)。但目前針對由我國 國產(chǎn)炭纖維制備炭基復(fù)合材料的研究很少，國產(chǎn)炭纖維預(yù)制體快速定向滲積過程 中許多關(guān)鍵技術(shù)問題還沒有解決。

發(fā)明內(nèi)容
1、 目的本發(fā)明的目的是提供一種炭纖維快速定向滲積制備高性能炭基復(fù) 合材料的方法，特別是提供一種國產(chǎn)炭纖維快速定向滲積制備高性能炭基復(fù)合材 料的方法，它突破國內(nèi)炭基復(fù)合材料制備過程中主要使用日本產(chǎn)炭纖維限制，提 供一種適合國產(chǎn)炭纖維增強(qiáng)高性能炭基復(fù)合材料的化學(xué)氣相滲積快速制備技術(shù)
工藝，200小時內(nèi)快速制備得到密度達(dá)到1.70 1.80g/cn^高性能炭基復(fù)合材料， 它縮短了制備周期，提高了熱解炭前軀體利用率，大幅度降低了高性能炭基復(fù)合 材料制備成本。
2、 技術(shù)方案本發(fā)明一種國產(chǎn)炭纖維快速定向滲積制備高性能炭基復(fù)合材 料的方法，其化學(xué)氣相滲積設(shè)備如圖1所示，對國產(chǎn)炭纖維的實施過程主要包括
下列步驟-
步驟一將炭纖維預(yù)制體放入硝酸中80'C氧化處理2小時； 步驟二將炭纖維預(yù)制體放入快速定向滲積爐內(nèi)，各炭纖維預(yù)制體之間墊入 等厚的石墨墊片；
步驟三快速定向滲積爐爐體抽真空，電加熱石墨套筒和炭纖維預(yù)制體； 步驟四通入碳源氣體和稀釋氣體，氣體混合有一定的體積比，氣體從爐底 通入，爐頂抽出，其流量根據(jù)裝入爐內(nèi)炭纖維預(yù)制體總重量調(diào)整，滲積爐內(nèi)的壓
力為2kPa 10kPa;;
步驟五炭纖維預(yù)制體的滲積過程從炭纖維預(yù)制體內(nèi)部向外表面逐漸推進(jìn)，
經(jīng)過120-200小時一次性滲積，即可制得高性能炭基復(fù)合材料，密度達(dá)到1.70
g/cm3~1.80g/cm3 。
其中，所述步驟一中硝酸為濃度為67%~70%的工業(yè)硝酸；
其中，所述步驟二中的石墨墊片的厚度為1.5mm 5mm，墊片安放在炭纖維
預(yù)制體外緣，等距離放置；
其中，所述步驟二中一次可安放炭纖維預(yù)制體30盤~50盤； 其中，所述步驟二中炭纖維的初始密度為0.4g/cm3~0.6g/cm3;其中，所述步驟三中電加熱時，控制炭纖維預(yù)制體外圍溫度達(dá)到 1100°C~1150°C，石墨套筒中心溫度達(dá)到1050°C~1100°C; 其中，所述步驟三中滲積爐爐體抽真空至一0.1MPa;
其中，所述步驟四中選用的碳源氣體為天然氣和丙垸混合氣，稀釋氣體為氫
氣；
其中，所述步驟四中天然氣和丙垸的體積比為7 9:1 ; 其中，所述步驟四中氫氣和丙烷的體積比為1 3:1 ;
其中，所述步驟四中流量根據(jù)裝入爐內(nèi)預(yù)制體總重量調(diào)整，是指控制每公斤 預(yù)制體每小時所需碳源氣體天然氣和丙垸總重量為50g 100g;
3、優(yōu)點及功效本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點及功效在于
(1) 本發(fā)明釆用國產(chǎn)炭纖維預(yù)制體制備高性能高性能炭基復(fù)合材料，目前 國產(chǎn)炭纖維價格低于日本產(chǎn)炭纖維，因而選用國產(chǎn)炭纖維降低了高性能炭基復(fù)合 材料的制備成本，同時選用國產(chǎn)炭纖維制備高性能炭基復(fù)合材料具有重要的意 義。
(2) 采用天然氣和丙垸混合氣作為碳源氣體，氫氣作為稀釋氣體，可以實 現(xiàn)自預(yù)制體內(nèi)部向外部的快速定向滲積，避免了炭基復(fù)合材料在快速制備過程中 表面結(jié)殼，提高了碳源氣體的利用率，常達(dá)30%~60%;爐內(nèi)工裝的合理設(shè)計有 效避免了氣體滯留，抑制了炭黑的生成。
(3) 爐內(nèi)工裝可根據(jù)國產(chǎn)炭纖維增強(qiáng)高性能炭基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)要求重新設(shè) 計，能夠滿足不同結(jié)構(gòu)炭基復(fù)合材料制備要求。
(4) 采用本發(fā)明技術(shù)，200小時可制備密度達(dá)到1.70~1.80g/cm3的高性能炭 基復(fù)合材料，熱解炭主要為粗糙層。和傳統(tǒng)等溫工藝相比，制備工藝周期大大縮 短，降低了產(chǎn)品的制備成本。


圖1高性能炭基復(fù)合材料快速定向滲積氣流控制設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖
圖2墊片的安裝示意圖
圖中符號說明如下
1 —出氣口； 2—滲積爐壁； 3—加熱石墨套筒；
4一石墨蓋板； 5—石墨墊片； 6—國產(chǎn)炭纖維預(yù)制體；7—石墨導(dǎo)流裝置；8—通孔； 9—石墨圓板；
10—帶孔石墨圓板；ll一墊片； 12—石墨圓筒； 13—進(jìn)氣口。
具體實施例方式
本發(fā)明一種國產(chǎn)炭纖維快速定向滲積制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，該方 法具體實施例如下 實施例1
其化學(xué)氣相滲積設(shè)備如圖1所示，本發(fā)明所述的方法在該高性能炭基復(fù)合材 料快速定向滲積氣流控制設(shè)備中進(jìn)行。所述炭纖維采用國產(chǎn)炭纖維，以國產(chǎn)炭纖 維進(jìn)行實施。
本發(fā)明一種國產(chǎn)炭纖維快速定向滲積制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，該方 法具體步驟如下
步驟一將炭纖維預(yù)制體放入濃度為70%硝酸中8(TC氧化處理2小時。 步驟二將炭纖維預(yù)制體6，外徑為420mm，內(nèi)徑為250mm,厚度為24mm， 初始密度為0.45g/cm3，平穩(wěn)放置在石墨圓板9上，每片預(yù)制體之間用石墨墊片5 墊開， 一次裝入石墨預(yù)制體40片，并蓋上石墨蓋板4。石墨墊片5的放置位置 如圖2所示，石墨墊片5的厚度為1.5mm。
步驟三電加熱石墨套筒3和炭纖維預(yù)制體6，其石墨套筒3中心溫度達(dá)到 1090°C。
步驟四將碳源氣體天然氣和丙垸的混氣以及稀釋氣體氫氣通過進(jìn)氣口 13通入 滲積爐，碳源氣體的總流量視預(yù)制體的總流量而定，每公斤預(yù)制體每小時通入碳
源氣體60g，天然氣和丙烷的體積比為8/1，丙烷和稀釋氣體氫氣的體積比為1/1, 控制滲積爐的爐內(nèi)壓力為5kPa。
步驟五滲積180小時，炭基復(fù)合材料的密度就可達(dá)到1.73g/cm3~1.78g/cm3。 實施例2
其化學(xué)氣相滲積設(shè)備如圖l所示，本發(fā)明所述的方法在該高性能炭基復(fù)合材 料快速定向滲積氣流控制設(shè)備中進(jìn)行。所述炭纖維采用國產(chǎn)炭纖維，以國產(chǎn)炭纖 維進(jìn)行實施。國產(chǎn)炭纖維快速定向滲積制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，該方法具體步驟如 下
步驟一將國產(chǎn)炭纖維預(yù)制體放入濃度為70%硝酸中80'C氧化處理2小時。 步驟二將國產(chǎn)炭纖維預(yù)制體6，外徑為45mm，內(nèi)徑為280mm，厚度為23mm， 初始密度為0.55g/cm3，平穩(wěn)放置在石墨圓板9上，每片預(yù)制體之間用石墨墊片5 墊開， 一次裝入石墨預(yù)制體40片，并蓋上石墨蓋板4。石墨墊片5的放置位置 如圖2所示，石墨墊片5的厚度為1.5mm。
步驟三電加熱石墨套筒3和炭纖維預(yù)制體6,其石墨套筒3中心溫度達(dá)到 1090。C。
步驟四將碳源氣體天然氣和丙烷的混氣以及稀釋氣體氫氣通過進(jìn)氣口 13通入 滲積爐，碳源氣體的總流量視預(yù)制體的總流量而定，每公斤預(yù)制體每小時通入碳
源氣體50g，天然氣和丙烷的體積比為8/1,丙垸和稀釋氣體氫氣的體積比為1/2， 控制滲積爐的爐內(nèi)壓力為5kPa。
步驟五滲積200小時，炭基復(fù)合材料的密度就可達(dá)到1.71 g/cm3~1.78g/cm3。
權(quán)利要求
1、一種國產(chǎn)炭纖維快速定向滲積制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，其特征在于該方法具體步驟如下步驟一將炭纖維預(yù)制體放入硝酸中80℃氧化處理2小時；步驟二將炭纖維預(yù)制體放入快速定向滲積爐內(nèi)，各炭纖維預(yù)制體之間墊入等厚的石墨墊片；步驟三快速定向滲積爐爐體抽真空，電加熱石墨套筒和炭纖維預(yù)制體；步驟四通入碳源氣體和稀釋氣體，氣體混合有一定的體積比，氣體從爐底通入，爐頂抽出，其流量根據(jù)裝入爐內(nèi)預(yù)制體總重量調(diào)整，滲積爐內(nèi)的壓力為2kPa～10kPa；步驟五炭纖維預(yù)制體的滲積過程從炭纖維預(yù)制體內(nèi)部向外表面逐漸推進(jìn)，經(jīng)過120～200小時一次性滲積，即可制得高性能炭基復(fù)合材料，密度達(dá)到1.70g/cm3～1.80g/cm3。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的國產(chǎn)炭纖維快速定向滲積制備高性能炭基復(fù)合材料 的方法，其特征在于在步驟一中所述的硝酸,為濃度67%~70%的工業(yè)硝酸。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的國產(chǎn)炭纖維快速定向滲積制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，其特征在于在步驟二中所述的等厚的石墨墊片，其厚度為1.5mm 5mm，安放在預(yù)制體外緣的等距離放置。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的國產(chǎn)炭纖維快速定向滲積制備高性能炭基復(fù)合材料 的方法，其特征在于在步驟二中所述的將炭纖維預(yù)制體放入快速定向滲積爐內(nèi)， 一次可安放炭纖維預(yù)制體30盤~50盤。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的國產(chǎn)炭纖維快速定向滲積制備高性能炭基復(fù)合材料 的方法，其特征在于在步驟二中所述的炭纖維，其初始密度為0.4 g/cm3~0.6g/cm3。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的國產(chǎn)炭纖維快速定向滲積制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，其特征在于在步驟三中所述的電加熱，控制炭纖維預(yù)制體外圍溫度達(dá)到1100°C~1150°C，石墨套筒中心溫度達(dá)到1050。C 謹(jǐn)。C。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的國產(chǎn)炭纖維快速定向滲積制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，其特征在于在步驟三中所述的快速定向滲積爐爐體抽真空，其真空抽至一0.1MPa。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的國產(chǎn)炭纖維快速定向滲積制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，其特征在于在步驟四中所述的碳源氣體為天然氣和丙烷混合氣，稀釋氣體為氫氣；所述的氣體混合體積比是天然氣和丙垸的體積比為7 9:1 ;氫氣和丙烷的體積比為1~3: 1 。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的國產(chǎn)炭纖維快速定向滲積制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，其特征在于在步驟四中所述的流量根據(jù)裝入爐內(nèi)預(yù)制體總重量調(diào)整，是指控制每公斤預(yù)制體每小時所需碳源氣體天然氣和丙垸總重量為50g 100g 。
全文摘要
國產(chǎn)炭纖維快速定向滲積制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，它有五大步驟步驟一將國產(chǎn)炭纖維預(yù)制體放入硝酸中80℃氧化處理2小時；步驟二將國產(chǎn)炭纖維預(yù)制體放入快速定向滲積爐內(nèi)，各炭纖維預(yù)制體之間墊入等厚的石墨墊片；步驟三快速定向滲積爐爐體抽真空，電加熱石墨套筒，加熱炭纖維預(yù)制體；步驟四通入碳源氣體和稀釋氣體，氣體混合有一定的體積比，氣體從爐底通入，爐頂抽出，其流量根據(jù)裝入爐內(nèi)預(yù)制體總重量調(diào)整，爐內(nèi)壓力有要求；步驟五預(yù)制體的滲積過程從預(yù)制體內(nèi)部向外表面逐漸推進(jìn)，經(jīng)過120～200小時一次性滲積，即可制得高性能炭基復(fù)合材料。本發(fā)明縮短了制備周期，提高了熱解炭前軀體利用率，降低了炭基復(fù)合材料的制備成本。
文檔編號C04B35/622GK101671189SQ20091009394
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月23日
發(fā)明者張云峰, 李進(jìn)松, 瑛 燕, 章勁草, 羅瑞盈 申請人:北京航空航天大學(xué)