專利名稱：一種碳/碳復(fù)合材料的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳/碳復(fù)合材料的制造方法。
背景技術(shù)：
碳/碳復(fù)合材料(Carbon/Carbon Composite Material)是一種由高強(qiáng)度碳纖維和碳素基質(zhì)構(gòu)成的材料。該復(fù)合材料幾乎完全由元素碳組成，可承受極高的溫度和極大的加熱速率，具有高強(qiáng)高模、比重輕、熱膨脹系數(shù)小、抗腐蝕、抗熱沖擊、耐摩擦性能好、化學(xué)穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)異性能，是一種新型的耐超高溫復(fù)合材料。目前已廣泛用于制造導(dǎo)彈的彈頭部件火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件、飛機(jī)及賽車的剎車裝置、熱元件和機(jī)械緊固件、熱交換器、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件、高功率電子裝置的散熱裝置和撐桿等方面。
參照專利號(hào)為5869411美國(guó)專利，名稱為Carbon Fiber ReinforcedCarbon/Carbon Composite and Method of Its Manufacture (碳纖維增強(qiáng)碳/碳復(fù)合材料及其制備方法)，該專利是關(guān)于碳_碳復(fù)合材料的制備方法，其特點(diǎn)是采用碳纖維編制成三維成型體，然后進(jìn)一步采用化學(xué)氣相浸漬法(CVI)的方法沉積碳來(lái)制備碳-碳復(fù)合材料。但是該技術(shù)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本及其昂貴，所以難以實(shí)現(xiàn)低成本制造高性能碳/碳復(fù)合材料的滲碳熱處理架的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種碳/碳復(fù)合材料的制造方法。
為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用的方案是
—種碳/碳復(fù)合材料的制造方法，其步驟為 (1)含浸處理將碳纖維布含浸于盛裝有第一高分子基材的塑料模內(nèi)，所述的第一高分子基材選用液態(tài)硼改性的酚醛樹脂，以6(TC至IO(TC處理0. 5小時(shí)至24小時(shí)，去除第一高分子基材中多余的溶劑，形成預(yù)浸漬布， (2)熱壓固化成型將所述的預(yù)浸漬布置于不銹鋼模內(nèi)，加壓并升溫至16(TC，保溫30分鐘，使預(yù)浸漬布固化成前驅(qū)體， (3)樹脂固化將所述的前驅(qū)體以100-120 °C ，保溫1-1. 5小時(shí)；升溫至130-150°C ，保溫1. 5-2小時(shí)；再升溫至170-190°C ，并加壓至3. 5-4. 5MPa，保溫0. 5-1小時(shí)，
(4)后固化處理將樹脂固化后的復(fù)合材料以230-25(TC、保溫20-40小時(shí)的后固化機(jī)制進(jìn)行后固化處理，得到碳纖維布和硼酚醛樹脂的復(fù)合材料， (5)碳化處理將所述的碳纖維布和硼酚醛樹脂的復(fù)合材料置于以碳化硅為發(fā)熱體的高溫爐中，通入流量為0. 1-0. 5升/分的氮?dú)?，并?-15°C /分的升溫速率升至1000°C ，保溫20-40分鐘，使樹脂碳化以形成碳/碳復(fù)合材料。
優(yōu)選地，所述的浸漬處理采用真空含浸或高壓含浸。 優(yōu)選地，所述的前軀體包含40% _60%體積百分比的碳纖維布混合于酚醛樹脂中。
3
優(yōu)選地，所述的碳化處理機(jī)制在升溫至520-70(TC的過(guò)程中采取2-5t:/分鐘的升
溫速率。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn) 1、抗拉強(qiáng)度是普通鋼材的8-10倍以上，彈性模量?jī)?yōu)于鋼材，具有優(yōu)異的抗蠕變性 能，耐腐蝕性和抗震性； 2、重量輕碳纖維比強(qiáng)度高、重量?jī)H為鋼材的1/5，韌性好可以盤巻，單巻長(zhǎng)度 250m供應(yīng)而無(wú)須搭接； 3、施工便捷，施工質(zhì)量易保證材料不用預(yù)加工，工序方便，型材允許交叉；
4、良好的耐久性和耐腐蝕性耐酸、堿、鹽及大氣環(huán)境的腐蝕，不須定期維護(hù)。
具體實(shí)施例方式
下面將詳細(xì)闡述一下本發(fā)明的具體操作方法 —種碳/碳復(fù)合材料的制造方法，將碳纖維布混合于高分子基材中，碳/碳復(fù)合 材料常用的高分子基材是酚醛樹脂及呋喃樹脂，它們的產(chǎn)炭率在50-60wt^之間，而一些 新型高產(chǎn)炭率樹脂如聚苯撐、聚芳基乙炔等，其理論產(chǎn)炭率在90wt^以上，實(shí)際產(chǎn)炭率在 70wt^以上。但是這些高產(chǎn)炭率樹脂由于價(jià)格、產(chǎn)量、工藝性等方面的原因，目前僅局限于 實(shí)驗(yàn)室，還未推廣到實(shí)際應(yīng)用。 本實(shí)施例采用的高分子基材是液態(tài)硼改性的酚醛樹脂，即在酚醛樹脂中引入硼元 素，此外，常態(tài)下的酚醛樹脂為固態(tài)，將其用溶劑溶解成為液態(tài)。經(jīng)硼改性的酚醛樹脂具有 優(yōu)異的熱學(xué)性能、力學(xué)性能，另外硼改性的酚醛樹脂具有很高的產(chǎn)炭率，超過(guò)目前的任何其 他酚醛樹脂，游離酚也較低，粘度較低，這容易浸透纖維束。 首先，將碳纖維布真空含浸或高壓含浸于盛裝有硼性酚醛樹脂的塑料模內(nèi)，以 6(TC至10(TC處理0.5小時(shí)至24小時(shí)，去除用于溶解硼性酚醛樹脂中多余的溶劑，而形成預(yù)
浸漬布。 接著進(jìn)行熱壓固化成型步驟，將上述預(yù)浸漬布置于不銹鋼模內(nèi)，然后加壓并升溫 至16(TC，持溫30分鐘，使預(yù)浸漬布固化成前驅(qū)體。此前驅(qū)體大約包含體積百分比介于 40-60 %的碳纖維布混合于硼性酚醛樹脂中。 隨后預(yù)浸漬布需進(jìn)行樹脂固化，根據(jù)DSC曲線及實(shí)驗(yàn)總結(jié)，來(lái)制定樹脂的固化 工藝制度，由于層壓板在壓機(jī)上固化，升溫速率較快，因此本實(shí)施例采用的100-120°C， 保溫1-1. 5小時(shí)；升溫至130-150°C，保溫1. 5-2小時(shí)；再升溫至170-190°C，并加壓至 3. 5-4. 5MPa，保溫0. 5-1小時(shí)。 樹脂固化后需要通過(guò)后固化處理，一方面使未固化的樹脂完全固化溫度較低，另 一方面是消除固化時(shí)由于碳纖維及基體的模里、熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力， 另外，后固化處理可增加交聯(lián)程度，增加產(chǎn)碳值降低收縮，并使樹脂基復(fù)合材料中殘留的 水、小分子可進(jìn)一步溢出，這樣就減少了碳化中小分子的揮發(fā)壓力，從而對(duì)抑制分層起到一 定的作用。本實(shí)施例硼酚醛樹脂基復(fù)合材料，后固化溫度取230-25(TC、保溫時(shí)間20-40h。
接下來(lái)進(jìn)行碳化步驟，將前驅(qū)體置于以碳化硅為發(fā)熱體的傳統(tǒng)高溫爐中，通入流 量約為0. 1-0. 5升/分的氮?dú)?，并?-15°C /分的升溫速率至溫度IOO(TC，持溫20-40分 鐘，但是在520-70(TC采取較慢的升溫速率，大約在2-5°C /分鐘，使樹脂碳化以形成碳/碳復(fù)合材料。 當(dāng)碳/碳復(fù)合材料制備完成后，根據(jù)復(fù)合材料板的厚度選擇碳纖維布的層數(shù)，將 板材根據(jù)具體圖紙要求進(jìn)行精確雕刻，最后將各個(gè)元件進(jìn)行組裝，完成各種熱處理架的制造。 上述實(shí)施例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人 士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并加以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡根據(jù)本發(fā)明 精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種碳/碳復(fù)合材料的制造方法，其特征在于該制造方法包含以下步驟(1)含浸處理將碳纖維布含浸于盛裝有第一高分子基材的塑料模內(nèi)，所述的第一高分子基材選用液態(tài)硼改性的酚醛樹脂，以60℃至100℃處理0.5小時(shí)至24小時(shí)，去除第一高分子基材中多余的溶劑，形成預(yù)浸漬布，(2)熱壓固化成型將所述的預(yù)浸漬布置于不銹鋼模內(nèi)，加壓并升溫至160℃，保溫30分鐘，使預(yù)浸漬布固化成前驅(qū)體，(3)樹脂固化將所述的前驅(qū)體以100-120℃，保溫1-1.5小時(shí)；升溫至130-150℃，保溫1.5-2小時(shí)；再升溫至170-190℃，并加壓至3.5-4.5MPa，保溫0.5-1小時(shí)，(4)后固化處理將樹脂固化后的復(fù)合材料以230-250℃、保溫20-40小時(shí)的后固化機(jī)制進(jìn)行后固化處理，得到碳纖維布和硼酚醛樹脂的復(fù)合材料，(5)碳化處理將所述的碳纖維布和硼酚醛樹脂的復(fù)合材料置于以碳化硅為發(fā)熱體的高溫爐中，通入流量為0.1-0.5升/分的氮?dú)猓⒁?-15℃/分的升溫速率升至1000℃，保溫20-40分鐘，使樹脂碳化以形成碳/碳復(fù)合材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳/碳復(fù)合材料的制造方法，其特征在于所述的含浸 處理采用真空含浸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳/碳復(fù)合材料的制造方法，其特征在于所述的含浸 處理采用高壓含浸。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳/碳復(fù)合材料的制造方法，其特征在于所述的前軀體包含40% _60%體積百分比的碳纖維布混合于酚醛樹脂中。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳/碳復(fù)合材料的制造方法，其特征在于所述的碳化處理在升溫至520-70(TC的過(guò)程中采取2-5°C /分鐘的升溫速率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳/碳復(fù)合材料的制造方法，其步驟包含含浸處理，將碳纖維布混合于高分子基材中，形成預(yù)浸漬布，第一高分子基材選用硼改性的酚醛樹脂，再經(jīng)熱壓固化成型使預(yù)浸漬布固化成前驅(qū)體，將上述復(fù)合體在經(jīng)過(guò)樹脂固化和后固化處理，最后進(jìn)行碳化處理，使樹脂碳化以形成碳/碳復(fù)合材料。本發(fā)明制備的碳/碳復(fù)合材料具有高強(qiáng)高效、重量輕、柔韌性好、施工便捷，施工質(zhì)量易保證和良好的耐久性和耐腐蝕性的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C04B35/83GK101723679SQ200910186738
公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月14日
發(fā)明者褚衛(wèi)豐 申請(qǐng)人:江蘇澳盛復(fù)合材料科技有限公司