專利名稱：一種炭/炭復合材料的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于涉及一種化工材料的的制備方法，具體涉及一種炭/炭復合材料的制備方法。
背景技術：
炭/炭復合材料是目前唯一可用于1650°C以上的高溫結構材料，具有許多優(yōu)異的性能，如高比強度、高比模量、高斷裂韌性、低密度以及強度隨溫度升高而升高等，在航空航天、軍事、醫(yī)學以及許多民用領域有著廣闊的應用前景。但炭/炭復合材料制作工藝復雜、制備周期長、原材料轉化率低以及致密化不均勻等問題致使其生產(chǎn)成本居高不下，嚴重制約了該材料的進一步應用和發(fā)展。催化劑是能加速反應過程的物質(zhì)。根據(jù)熱解碳的形成機理，選擇合適的催化劑加速源氣體的芳構化過程，可提高源氣體的轉化率并快速沉積得到基體碳，從而縮短炭/炭復合材料的制備周期，降低生產(chǎn)成本。目前，研究者已開發(fā)了多種Ni基催化劑用以解決炭/炭復合材料制備過程中存在的問題。但催化劑存在顆粒較大阻滯氣流通道、分布不均勻以及溶液浪費嚴重等問題。文獻1“鎳催化制備炭/炭復合材料，史小紅，李賀軍，王引衛(wèi)，李克智。碳素技術，2004 (03)”公開了一種催化制備炭/炭復合材料的方法，該方法通過浸潰在預制體上加載液相Ni鹽之后加熱還原得到Ni單質(zhì)，提高了熱解碳的沉積速率。但本研究采用的液相浸潰法浪費較大，催化劑的加載量不宜控制，且需將加熱處理后得到的氧化鎳再用H2和Ar還原才能得到鎳單質(zhì)，工藝復雜且存在安全隱患。文獻2 “鎳催化制備炭/炭復合材料研究，周振中，李鐵虎，李彩霞，宋發(fā)舉。材料導報，2007 (09)”公開了一種催化制備炭/炭復合材料的方法，該方法采用了 Ni/Si02、Ni/A1203、Ni/ZSM-5負載型 催化劑，提高了熱解碳的沉積速率。但由于本研究采用的催化劑是粉末狀的，不能保證鋪撒過程中的均勻性，且催化劑顆粒較大，容易阻滯氣流通道。因此，不能保證致密化的均勻性。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術問題為了避免現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明提出一種炭/炭復合材料的制備方法，以克服現(xiàn)有技術中存在的，催化劑顆粒較大阻滯氣流通道、分布不均勻以及溶液浪費嚴重等問題。技術方案一種炭/炭復合材料的制備方法，其特征在于步驟如下:步驟1、分別對碳布和鎳板進行表面處理，具體過程是:將縫制好的碳布在無水乙醇中浸泡30min Ih進行表面除油，蒸餾水沖洗后放入烘箱中烘干備用；b.將鎳板在無水乙醇中超聲處理lOmin，蒸餾水沖洗后烘干備用；
步驟2:以鎳板為陽極，碳布為陰極，在碳纖維布上進行鍍鎳；所述電鍍液為:每制備 IL 電鍍液稱取 100 350g 的 NiSO4 6H20、30 80g 的 NiCl2 6H20、15 40g 的 H3BO3和20 25g的MgSO4溶于蒸餾水中制得IL電鍍液；步驟3、制備預制體，具體過程是:a.電鍍完成之后，將取下的碳布用蒸餾水沖洗后置于烘箱中，在70 120°C下保溫I 10小時后烘干；b.將烘干的碳布以5 10層鋪疊，利用碳纖維線穿刺其中，制成預制體；步驟4、化學氣相沉積法制備熱解碳，具體過程是:a.將預制體裝入模具置于化學氣相沉積爐中，抽真空使真空度達到-0.1 -0.0lMpa，通入氬氣至常壓后再次抽真空，重復此過程3次；b.在氬氣保護下升溫至500 1100°C，升溫速度控制在5 10°C /min ；c.在氬氣保護下通入甲烷或丙烯氣體沉積熱解碳，500 1100°C下保溫直至預制體的密度達到1.0 2.5g/cm3 ；d.關掉甲烷或丙烯氣體閥門后以5 20°C/min的速度降溫至300 200°C，關掉電源自然降至室溫后開爐取出試樣，得到炭/炭復合材料。有益效果本發(fā)明提出的一種炭/炭復合材料的制備方法，在碳纖維布上電鍍鎳單質(zhì)催化制備炭/炭復合材料。電鍍法加載鎳催化劑容易操作、鍍層分布均勻且鍍液可以多次利用，能夠降低生產(chǎn)成本。目前，已有在石墨片和碳纖維電鍍鎳并催化生成碳納米管的例子。因此，在碳的預制體上電鍍鎳作為催化劑，在合適工藝條件下，可獲得具有所需密度的炭/炭復合材料。本發(fā)明系一種催化沉積制備炭/炭復合材料的方法。利用電鍍法在碳纖維布上加載鎳催化劑，保證了催化劑的小粒度及分布均勻性，減少了原材料的用量；采用化學氣相沉積法制備炭/炭復合材料時，借助鎳催化劑加速源氣體的芳構化過程，提高源氣體的轉化率并加速沉積過程，縮短炭/炭復合材料的制作周期，降低炭/炭復合材料的制備成本。
具體實施例方式現(xiàn)結合實施例對本發(fā)明作進一步描述:實施例1:本實施例是一種快速制備炭/炭復合材料的方法，包括加載催化劑和化學氣相沉積兩個主要工序，其具體過程是:步驟一、將縫制好的碳布在無水乙醇中浸泡40min進行表面除油，蒸餾水沖洗后放入烘箱中烘干備用；將鎳板在無水乙醇中超聲處理lOmin，蒸餾水沖洗后烘干備用。步驟二、分別稱取200gNiS04 6H20、60gNiCl2 6H20、30gH3B03 以及 15gMgS04 溶于適量的蒸餾水中制得IL電鍍液；連接電路，以鎳板為陽極、碳布為陰極，開通電源，調(diào)節(jié)電流至40mA,在碳纖維布上鍍鎳20min。

步驟三、電鍍完成之后，將取下的碳布用適量蒸餾水沖洗后置于烘箱中，80°C保溫2小時烘干；將烘干的碳布5層鋪疊，利用碳纖維線穿刺其中，制成預制體。步驟四、將預制體裝入模具置于化學氣相沉積爐中，抽真空使真空度達至IJ-0.09Mpa，通入氬氣至常壓后再次抽真空，重復此過程3次；在氬氣保護下升溫至700°C，升溫速度控制在5°C /min ;在氬氣保護下通入甲烷或丙烯氣體沉積熱解碳，70(TC下保溫一段時間直至預制體的密度達到1.5g/cm3，關掉丙烯閥門后以10°C /min的速度降溫至200 °C，關掉電源自然降至室溫后開爐取出試樣。經(jīng)上述所有步驟，制備出了炭/炭復合材料試樣。該法的制作工藝相對簡單、制備周期較短、原材料轉化率高且致密化相對均勻。實施例2:本實施例是一種快速制備炭/炭復合材料的方法，包括加載催化劑和化學氣相沉積兩個主要工序，其具體過程是:步驟一、將縫制好的碳布在無水乙醇中浸泡40min進行表面除油，蒸餾水沖洗后放入烘箱中烘干備用；將鎳板在無水乙醇中超聲處理lOmin，蒸餾水沖洗后烘干備用。步驟二、分別稱取250gNiS04.6H20、60gNiCl2.6H20、30gH3B03 以及 20gMgS04 溶于適量的蒸餾水中制得IL電鍍液；連接電路，以鎳板為陽極、碳布為陰極，開通電源，調(diào)節(jié)電流至IOOmA,在碳纖維布上鍍鎳15min。步驟三、電鍍完成之后，將取下的碳布用適量蒸餾水沖洗后置于烘箱中，80°C保溫2小時烘干；將烘干的碳布5層鋪疊， 利用碳纖維線穿刺其中，制成預制體。步驟四、將預制體裝入模具置于化學氣相沉積爐中，抽真空使真空度達到-0.09Mpa，通入氬氣至常壓后再次抽真空，重復此過程3次；在氬氣保護下升溫至900°C，升溫速度控制在5°C /min ;在氬氣保護下通入甲烷或丙烯氣體沉積熱解碳，90(TC下保溫一段時間直至預制體的密度達到1.5g/cm3，關掉丙烯閥門后以10°C /min的速度降溫至200 °C，關掉電源自然降至室溫后開爐取出試樣。經(jīng)上述所有步驟，制備出了炭/炭復合材料試樣。該法的制作工藝相對簡單、制備周期較短、原材料轉化率高且致密化相對均勻。實施例3:本實施例是一種快速制備炭/炭復合材料的方法，包括加載催化劑和化學氣相沉積兩個主要工序，其具體過程是:步驟一、將縫制好的碳布在無水乙醇中浸泡40min進行表面除油，蒸餾水沖洗后放入烘箱中烘干備用；將鎳板在無水乙醇中超聲處理lOmin，蒸餾水沖洗后烘干備用。步驟二、分別稱取200gNiS04.6H20、60gNiCl2.6H20、30gH3B03 以及 30gMgS04 溶于適量的蒸餾水中制得IL電鍍液；連接電路，以鎳板為陽極、碳布為陰極，開通電源，調(diào)節(jié)電流至200mA,在碳纖維布上鍍鎳6min。步驟三、電鍍完成之后，將取下的碳布用適量蒸餾水沖洗后置于烘箱中，80°C保溫2小時烘干；將烘干的碳布5層鋪疊，利用碳纖維線穿刺其中，制成預制體。步驟四、將預制體裝入模具置于化學氣相沉積爐中，抽真空使真空度達到-0.09Mpa,通入氬氣至常壓后再次抽真空，重復此過程3次；在氬氣保護下升溫至1000°C，升溫速度控制在8 V /min ;在氬氣保護下通入甲烷或丙烯氣體沉積熱解碳，1000°C下保溫一段時間直至預制體的密度達到1.5g/cm3，關掉丙烯閥門后以15°C /min的速度降溫至200 °C，關掉電源自然降至室溫后開爐取出試樣。經(jīng)上述所有步驟，制備出了炭/炭復合材料試樣。該法的制作工藝相對簡單、制備周期較短、原材料轉化率高且致密化相對均勻。實施例4:本實施例是一種快速制備炭/炭復合材料的方法，包括加載催化劑和化學氣相沉積兩個主要工序，其具體過程是:步驟一、將縫制好的碳布在無水乙醇中浸泡40min進行表面除油，蒸餾水沖洗后放入烘箱中烘干備用；將鎳板在無水乙醇中超聲處理lOmin，蒸餾水沖洗后烘干備用。步驟二、分別稱取200gNiS04 6H20、60gNiCl2 6H20、30gH3B03 以及 20gMgS04 溶于適量的蒸餾水中制得IL電鍍液；連接電路，以鎳板為陽極、碳布為陰極，開通電源，調(diào)節(jié)電流至200mA,在碳纖維布上鍍鎳8min。步驟三、電鍍完成之后，將取下的碳布用適量蒸餾水沖洗后置于烘箱中，80°C保溫2小時烘干；將烘干的碳布5層鋪疊，利用碳纖維線穿刺其中，制成預制體。步驟四、將預制體裝入模具置于化學氣相沉積爐中，抽真空使真空度達到-0.09Mpa,通入氬氣至常壓后再次抽真空，重復此過程3次；在氬氣保護下升溫至1000°C，升溫速度控制在10°C /min;在氬氣保護下通入甲烷或丙烯氣體沉積熱解碳，1000°C下保溫一段時間直至預制體的密度達到1.8g/cm3，關掉丙烯閥門后以18°C /min的速度降溫至200°C，關掉電源自然降至室溫后開爐取出試樣。經(jīng)上述所有步驟，制備出了炭/炭復合材料試樣。該法的制作工藝相對簡單、制備周期較短、原材料轉化 率高且致密化相對均勻。
權利要求
1.一種炭/炭復合材料的制備方法，其特征在于步驟如下: 步驟1、分別對碳布和鎳板進行表面處理，具體過程是: 將縫制好的碳布在無水乙醇中浸泡30min Ih進行表面除油，蒸餾水沖洗后放入烘箱中烘干備用； b.將鎳板在無水乙醇中超聲處理lOmin，蒸餾水沖洗后烘干備用； 步驟2:以鎳板為陽極，碳布為陰極，在碳纖維布上進行鍍鎳；所述電鍍液為:每制備IL電鍍液稱取 100 350g 的 NiSO4.6H20、30 80g 的 NiCl2.6H20、15 40g 的 H3BO3 和 20 25g的MgSO4溶于蒸餾水中制得IL電鍍液； 步驟3、:制備預制體，具體過程是: a.電鍍完成之后，將取下的碳布用蒸餾水沖洗后置于烘箱中，在70 120°C下保溫I 10小時后烘干； b.將烘干的碳布以5 10層鋪疊，利用碳纖維線穿刺其中，制成預制體； 步驟4、化學氣相沉積法制備熱解碳，具體過程是: a.將預制體裝入模具置于化學氣相沉積爐中，抽真空使真空度達到-0.1 -0.0lMpa，通入氬氣至常壓后再次抽真空，重復此過程3次； b.在氬氣保護下升溫至500 1100°C，升溫速度控制在5 10°C/min ； c.在氬氣保護下 通入甲烷或丙烯氣體沉積熱解碳，500 1100°C下保溫直至預制體的密度達到1.0 2.5g/cm3 ； d.關掉甲烷或丙烯氣體閥門后以5 20°C/min的速度降溫至300 200°C，關掉電源自然降至室溫后開爐取出試樣，得到炭/炭復合材料。
全文摘要
本發(fā)明提出的一種炭/炭復合材料的制備方法，利用電鍍法在碳纖維布上加載鎳催化劑，保證了催化劑的小粒度及分布均勻性，減少了原材料的用量；采用化學氣相沉積法制備炭/炭復合材料時，借助鎳催化劑加速源氣體的芳構化過程，提高源氣體的轉化率并加速沉積過程，縮短炭/炭復合材料的制作周期，降低炭/炭復合材料的制備成本。本發(fā)明涉及一種以鎳板為陽極，碳布為陰極在碳纖維上鍍鎳；烘干后疊層穿刺制成預制體；將預制體置于化學氣相沉積爐中，用窄縫沉積法制備炭/炭復合材料。本發(fā)明借助Ni催化劑加速源氣體的芳構化過程，提高源氣體的轉化率，可快速沉積得到熱解碳，縮短炭/炭復合材料的制備周期，從而降低生產(chǎn)成本。
文檔編號C04B35/622GK103159496SQ201310095248
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月22日 優(yōu)先權日2013年3月22日
發(fā)明者史小紅, 任艷彩, 李賀軍, 李克智 申請人:西北工業(yè)大學