專利名稱：一種全預(yù)氧絲預(yù)制體制備高性能炭基復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全預(yù)氧絲預(yù)制體制備高性能炭基復(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)：
目前，制備炭基復(fù)合材料的預(yù)制體主要的原料為炭纖維和預(yù)氧絲。英國 Dunlop公司采用預(yù)氧絲針刺薄氈疊層成型技術(shù)制備炭基復(fù)合材料預(yù)制體，經(jīng)過 等溫化學(xué)氣相滲積后，炭基復(fù)合材料的密度達(dá)到1.75 1.89g/cm3，材料的力學(xué)性 能偏低，但是摩擦磨損性能好。法國Messier-Bugatti采用針刺聚丙烯腈(PAN) 預(yù)氧絲的Novoltex織物或針刺炭纖維整體氈預(yù)制體成型技術(shù)制備炭基復(fù)合材料 預(yù)制體，經(jīng)過等溫化學(xué)氣相滲積后，密度達(dá)到1.68~1.84 g/cm3，和Dunlop公司 制備的炭基復(fù)合材料相比，材料力學(xué)性能相當(dāng)，但是摩擦系數(shù)偏低，磨損率偏高。 中國航空工業(yè)集團(tuán)總公司514廠采用針刺炭纖維制備炭基復(fù)合材料預(yù)制體，使用 炭纖維的體積分?jǐn)?shù)高于國外，以丙烯為碳源氣體等溫化學(xué)氣相滲積制備炭基復(fù)合 材料，密度達(dá)到1.70~1.80g/cm3，和國外材料性能相比，力學(xué)性能偏高，但摩擦 磨損性能稍微偏差，基本滿足航空航天用炭基復(fù)合材料的要求。
預(yù)氧絲預(yù)制體和炭纖維預(yù)制體相比，較低預(yù)氧絲體積分?jǐn)?shù)的預(yù)制體(例如體 積分?jǐn)?shù)為23%)經(jīng)過化學(xué)氣相滲積后可以獲得比較高炭纖維體積分?jǐn)?shù)預(yù)制體(例 如35%)制備的炭基復(fù)合材料有更優(yōu)異的摩擦磨損性能，更加適合做航空飛機(jī)用 剎車材料，得到全世界許多炭基復(fù)合材料生產(chǎn)單位的青睞。隨著近些年，國家在 炭纖維研究上投入的加大，目前國內(nèi)已可制備性能和T300性能相當(dāng)?shù)奶坷w維， 能夠制備性能比較穩(wěn)定的預(yù)氧絲。預(yù)氧絲制備預(yù)制體可以有效防止Z相針剌時(shí) 出現(xiàn)斷絲，制備的預(yù)制體更加平整，性能更加穩(wěn)定。由于預(yù)氧絲制備的預(yù)制體在 氣相滲積之前需要碳化，碳化后的預(yù)氧絲的性能與炭纖維不同，對(duì)滲積工藝提出 了新的要求，本發(fā)明針對(duì)預(yù)氧絲預(yù)制體特殊的性能，提出了一種由碳化后的預(yù)氧絲預(yù)制體快速定向滲積制備高性能炭基復(fù)合材料的方法。廉價(jià)的預(yù)氧絲預(yù)制體成 本和快速的制備工藝必將大幅度降低高性能炭基復(fù)合材料的成本。

發(fā)明內(nèi)容
1、 目的本發(fā)明的目的是提供一種全預(yù)氧絲預(yù)制體制備高性能炭基復(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炭纖維制備預(yù)制體的限 制，提供一種適合預(yù)氧絲增強(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(shí)內(nèi)快速定向滲積制備得到密度達(dá)到1.70 1.80g/ci^高性能炭基復(fù) 合材料，制備周期短，預(yù)制體制備成本低，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)明一種全預(yù)氧絲預(yù)制體制備高性能炭基復(fù)合材料的方法， 其快速定向滲積爐如圖1所示，實(shí)施過程主要包括下列步驟
步驟一碳化后的預(yù)氧絲預(yù)制體放入快速定向滲積爐內(nèi)，各盤預(yù)氧絲預(yù)制體 之間墊入等厚的石墨墊片；
步驟二爐體抽真空至一0.1MPa，通入高純氮?dú)?，氣體從爐底通入，爐頂 流出，自由升溫至100(TC，然后100-200。C/h程序升溫至180(TC;
步驟三在氮?dú)獗Ｗo(hù)下自由降溫到設(shè)定溫度；
步驟四停止通入氮?dú)猓焖俣ㄏ驖B積爐爐體抽真空至一0.1MPa，電加熱 石墨套筒對(duì)爐體進(jìn)行恒溫控制；
步驟五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；該快速定向滲積爐內(nèi) 的壓力為2kPa 10kPa;
步驟六預(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(shí)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;
步驟七爐體抽真空自由降溫至室溫。
其中，步驟一中所述炭基復(fù)合材料預(yù)制體的預(yù)氧絲體積分?jǐn)?shù)為22% 27%;
其中，步驟一中所述的等厚的石墨墊片，其厚度為1.5mm 5mm，該石墨墊 片安放在預(yù)制體外緣，等距離放置；
其中，步驟一中所述碳化后的預(yù)氧絲預(yù)制體放入快速定向滲積爐內(nèi)， 一次可 安放預(yù)氧絲預(yù)制體30盤 50盤；其中，步驟二中所述通入高純氮?dú)?，其氮?dú)獾募兌却笥?9.9%;氮?dú)獾牧髁?為100~200L/h;
其中，步驟三中所述自由降溫到設(shè)定溫度，降溫到預(yù)氧絲預(yù)制體外圍溫度達(dá) 到108(TC 113(TC，預(yù)氧絲預(yù)制體中心溫度達(dá)到1020°C~1080°C;
其中，步驟五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； 天然氣和丙垸的體積比為6~9 : 1 ;氫氣和丙垸的體積比為1 5 : 1 ;
其中，步驟五中所述流量根據(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(shí)所需碳源氣體天然氣和丙烷總重量為50g 100g;
其中，步驟七中所述爐體抽真空，其真空度為一0.1MPa。
3、優(yōu)點(diǎn)及功效本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)及功效在于
(1) 本發(fā)明釆用預(yù)氧絲預(yù)制體制備高性能炭基復(fù)合材料，目前預(yù)氧絲市場 價(jià)格低于炭纖維，因而選用預(yù)氧絲降低了高性能炭基復(fù)合材料的制備成本。
(2) 采用預(yù)氧絲制備的預(yù)制體表面平整，Z向?qū)嵝阅芎?，摩擦磨損性能 好，特別適合做航空用摩擦元件。
(3) 創(chuàng)新的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， 提高了前驅(qū)氣體的利用率，進(jìn)一步降低了材料的制備成本。
(4) 采用本發(fā)明技術(shù)，200小時(shí)內(nèi)可制備密度達(dá)到1.70 1.80g/ci^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，縮短了制備周期。
(四)


圖1高性能炭基復(fù)合材料快速定向滲積爐結(jié)構(gòu)示意圖
圖2墊片的安裝示意圖
附圖標(biāo)記說明
1 —出氣口； 2—滲積爐壁； 3—加熱石墨套筒；
4—石墨蓋板； 5—石墨墊片； 6—預(yù)氧絲預(yù)制體；
7一石墨導(dǎo)流裝置；8—通孔； 9一石墨圓板；
IO—帶孔石墨圓板；ll一墊片； 12—石墨圓筒；
13—進(jìn)氣口。
(五)
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明一種全預(yù)氧絲預(yù)制體制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，該方法具體實(shí)
6施例如下 實(shí)施例l
本發(fā)明一種全預(yù)氧絲預(yù)制體制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，該方法具體步 驟如下
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。
步驟一碳化后的預(yù)氧絲預(yù)制體6放入快速定向滲積爐內(nèi)，外徑為420mm， 內(nèi)徑為250mm，厚度為24mm，初始預(yù)氧絲體積分?jǐn)?shù)22%，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L5mm。
步驟二爐體抽真空至一0.1MPa，通入純度大于99.9%的高純氮?dú)?，氣體從 爐底通入，爐頂流出，氮?dú)獾牧髁繛?00L/h，自由升溫至100(TC，然后10(TC/h 程序升溫至1800°C;
步驟三在氮?dú)獗Ｗo(hù)下自由降溫到預(yù)氧絲預(yù)制體外圍溫度達(dá)到1080°C,預(yù) 氧絲預(yù)制體中心溫度達(dá)到1030°C;
步驟四停止通入氮?dú)?，快速定向滲積爐爐體抽真空至一0.1MPa，電加熱 石墨套筒對(duì)爐體進(jìn)行恒溫控制；
步驟五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(shí)通 入碳源氣體80g，天然氣和丙垸的體積比為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。
步驟六滲積160小時(shí)，炭基復(fù)合材料的密度就可達(dá)到1.72~1.76g/cm3。 步驟七爐體抽真空自由降溫至室溫。其真空度為一0.1MPa。
實(shí)施例2
本發(fā)明一種全預(yù)氧絲預(yù)制體制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，該方法具體步 驟如下
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。步驟一碳化后的預(yù)氧絲預(yù)制體6放入快速定向滲積爐內(nèi)，外徑為450mm， 內(nèi)徑為270mm，厚度為22mm，初始預(yù)氧絲體積分?jǐn)?shù)25%，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30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。
步驟二爐體抽真空至一0.1MPa，通入純度大于99.9%的高純氮?dú)猓瑲怏w從 爐底通入，爐頂流出，氮?dú)獾牧髁繛?00L/h，自由升溫至100(TC，然后100'C/h 程序升溫至180(TC;
步驟三在氮?dú)獗Ｗo(hù)下自由降溫到預(yù)氧絲預(yù)制體外圍溫度達(dá)到1070°C，預(yù) 氧絲預(yù)制體中心溫度達(dá)到1020°C;
步驟四停止通入氮?dú)?，快速定向滲積爐爐體抽真空至一0.1MPa，電加熱 石墨套筒對(duì)爐體進(jìn)行恒溫控制；
步驟五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(shí)通 入碳源氣體50g，天然氣和丙垸的體積比為8/1，丙垸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。
步驟六滲積190小時(shí)，炭基復(fù)合材料的密度就可達(dá)1.73 g/cm3~1.80g/cm3。；
步驟七爐體抽真空自由降溫至室溫。其真空度為一0.1MPa。
權(quán)利要求
1、一種全預(yù)氧絲預(yù)制體制備高性能炭基復(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碳化后的預(yù)氧絲預(yù)制體放入快速定向滲積爐內(nèi)，各盤預(yù)氧絲預(yù)制體之間墊入等厚的石墨墊片；步驟二爐體抽真空至-0.1MPa，通入高純氮?dú)?，氣體從爐底通入，爐頂流出，自由升溫至1000℃，然后按100～200℃/h程序升溫至1800℃；步驟三在氮?dú)獗Ｗo(hù)下自由降溫到設(shè)定溫度；步驟四停止通入氮?dú)猓焖俣ㄏ驖B積爐爐體抽真空至-0.1MPa，電加熱石墨套筒對(duì)爐體進(jìn)行恒溫控制；步驟五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；步驟六預(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(shí)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；步驟七爐體抽真空自由降溫至室溫。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全預(yù)氧絲預(yù)制體制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟一中所述炭基復(fù)合材料預(yù)制體的預(yù)氧絲體積分?jǐn)?shù)為22%~27% 。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全預(yù)氧絲預(yù)制體制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟一中所述的石墨墊片的厚度為1.5mm 5mm，墊片安放在預(yù)制體外緣，等距離放置。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全預(yù)氧絲預(yù)制體制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟一中所述一次可安放預(yù)氧絲預(yù)制體30盤 50盤。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全預(yù)氧絲預(yù)制體制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟二中所述氮?dú)獾募兌却笥?9.9% 。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全預(yù)氧絲預(yù)制體制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟二中所述氮?dú)獾牧髁繛?00~200L/h。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全預(yù)氧絲預(yù)制體制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟三中所述降溫到預(yù)氧絲預(yù)制體外圍溫度達(dá)到1080°C~1130°C，預(yù)熱裝置中心溫度達(dá)到1020°C~1080°C。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全預(yù)氧絲預(yù)制體制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟五中所述選用的碳源氣體為天然氣和丙垸混合氣，稀釋氣體為氫氣;天然氣和丙烷的體積比為6 9: 1 ;氫氣和丙烷的體積比為1~5 : 1 。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全預(yù)氧絲預(yù)制體制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟五中所述流量根據(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(shí)所需碳源氣體天然氣和丙烷總重量為50g 100g。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全預(yù)氧絲預(yù)制體制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟五中所述快速滲積爐內(nèi)的壓力為2kPa 10kPa。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全預(yù)氧絲預(yù)制體制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，其特征在于步驟七中所述爐體抽真空，其真空度為一0.1MPa。
全文摘要
一種預(yù)氧絲快速定向滲積制備高性能炭基復(fù)合材料的方法，它有七大步驟一、碳化后的預(yù)氧絲預(yù)制體放入快速滲積爐內(nèi)，各盤之間墊入等厚的石墨墊片；二、爐體抽真空至-0.1MPa，通入高純氮?dú)?，自由升溫?000℃，然后100～200℃/h程序升溫至1800℃；三、在氮?dú)獗Ｗo(hù)下自由降溫到設(shè)定溫度；四、停止通入氮?dú)猓焖俣ㄏ驖B積爐爐體抽真空至-0.1MPa，電加熱石墨套筒對(duì)爐體進(jìn)行恒溫控制；五、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；六、預(yù)制體的滲積過程從預(yù)制體由內(nèi)向外逐漸推進(jìn)，經(jīng)過120～200小時(shí)一次性滲積，即可制得密度達(dá)到1.70g/cm³～1.80g/cm³的高性能炭基復(fù)合材料；七、爐體抽真空自由降溫至室溫。
文檔編號(hào)C04B35/83GK101671191SQ20091009395
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)明者李進(jìn)松, 章勁草, 羅瑞盈 申請人:北京航空航天大學(xué)