碳纖維增韌碳化硅復(fù)合材料板及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及碳纖維復(fù)合材料，尤其是涉及一種碳纖維增韌碳化硅復(fù)合材料板及其制備方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]磁懸浮列車作為一種新型的交通系統(tǒng)，由于其高速與便利性，被全球各個(gè)國(guó)家競(jìng)相關(guān)注。然而綜合考慮造價(jià)成本、運(yùn)輸能力、能耗等，中低速磁懸浮列車是城市交通的最好選擇。磁懸浮列車不同于傳統(tǒng)的有軌列車，它是通過(guò)磁力將列車浮起、導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)，因此在運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的噪音很小、振動(dòng)小并且舒適性好。隨著城市軌道交通路線的造價(jià)逐漸升高，中低速磁懸浮列車的優(yōu)勢(shì)在慢慢體現(xiàn)出來(lái)。
[0003]磁懸浮列車是通過(guò)磁力驅(qū)動(dòng)，因此沒(méi)有傳統(tǒng)的車輪，然而磁懸浮列車有一個(gè)重要的部件-滑橇，其作用不光是承受列車包括列車上所有乘客和行李的重量，滑橇還用于列車在緊急制動(dòng)時(shí)，保證列車在軌道上安全滑行，因此對(duì)其性能要求很高。對(duì)于磁懸浮列車滑橇用材料的報(bào)道大多是關(guān)于高速磁懸浮列車滑橇，其關(guān)鍵零件材料是碳纖維復(fù)合材料板，對(duì)于中低速磁懸浮列車滑橇用材料的報(bào)道基本沒(méi)有。
[0004]由于列車是通過(guò)磁力進(jìn)行浮起和驅(qū)動(dòng)，因此列車上各部件需要進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，滑橇用材料也需要盡量輕量化；列車在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)承受列車自身重量以及浮沉過(guò)程中的壓縮沖擊和壓縮疲勞，因此材料需要具有高的抗壓強(qiáng)度；在滑行過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生磨損和升溫，因此材料需要具備低的摩擦系數(shù)、低的熱膨脹系數(shù)、良好的導(dǎo)熱性能以及好的高溫強(qiáng)度。
[0005]申請(qǐng)?zhí)枮?00410084324.4的中國(guó)專利公布了一種磁浮列車滑橇用碳纖復(fù)合材料、制造方法和應(yīng)用。該碳纖復(fù)合材料板的組織結(jié)構(gòu)芯部是均一碳/碳纖兩相復(fù)合結(jié)構(gòu)，表層則是碳/碳纖/碳化硅三相梯度復(fù)合材料，碳纖復(fù)合材料板密度為1.65-1.72，其抗壓強(qiáng)度154?171MPa，層間剪切強(qiáng)度為11.5?13.2MPa。可用于制備磁浮列車滑橇用碳纖復(fù)合材料板和剎車片。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種碳纖維增韌碳化硅復(fù)合材料板及其制備方法與應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0008]—種碳纖維增韌碳化硅復(fù)合材料板的制備方法，包括以下步驟:
[0009](I)碳纖維表面除膠與活化:為了增強(qiáng)碳纖維表面活性，使得碳纖維更好的與碳化硅復(fù)合，需要對(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理，方法為:連續(xù)碳纖維依次采用去離子水超聲清洗、濃硝酸浸泡處理以及濃硝酸超聲清洗；
[0010](2) 3D纖維體編織:對(duì)除膠與活化處理后的連續(xù)碳纖維進(jìn)行3D編織，在傳統(tǒng)二維編織的方法上引入Z向纖維，得到厚度為20mm的3D碳纖維編織體；
[0011](3)表面熱解碳沉積:將3D碳纖維編織體放入沉積爐中進(jìn)行氣相沉積，得到沉積完成的編織體；
[0012](4)浸漬膠液制備:以聚碳硅烷、二乙烯基苯、四氫呋喃及已進(jìn)行表面熱解碳沉積的短碳纖維為主要成分制備浸漬膠；
[0013](5)浸漬與裂解:將3D碳纖維編織體在浸漬膠中浸漬后，升溫固化，再高溫裂解，制得復(fù)合材料板還體；
[0014](6)反應(yīng)燒結(jié):在復(fù)合材料板坯體表面涂覆過(guò)量的硅粉，然后進(jìn)行燒結(jié)，得到碳纖維增韌碳化硅復(fù)合材料板。
[0015]步驟(3)中，進(jìn)行氣相沉積的工藝條件為:1000°C -1lOOtC沉積爐保溫2_3h、然后以1-1.5m3/h的速度通入丙烷進(jìn)行氣相沉積10-11小時(shí)，沉積結(jié)束后程序降溫，再自由降溫至室溫。
[0016]步驟(4)中，聚碳硅烷、二乙烯基苯、四氫呋喃及已進(jìn)行表面熱解碳沉積的短碳纖維質(zhì)量配比為1:0.1:1: (0.9-1.1)。
[0017]步驟(4)中，所述的短碳纖維采用與步驟(3)相同的熱解碳沉積工藝處理。
[0018]步驟(5)中，3D碳纖維編織體在浸漬膠中浸漬的程序?yàn)?3D碳纖維編織體浸漬、取出、擦凈膠液、通風(fēng)櫥通風(fēng)，再次浸漬、取出、擦凈膠液、通風(fēng)櫥通風(fēng)，反復(fù)進(jìn)行三次浸漬。
[0019]步驟(5)中，將3D碳纖維編織體在浸漬膠中浸漬后，放入55-65°C烘箱保溫40-50min，其中多次打開(kāi)烘箱門，使得四氫呋喃揮發(fā)充分，升溫至130°C保溫50_60min，升溫至170-180°C保溫3.5-4.5h，固化完成后送入1100-1200°C裂解爐裂解兩天，程序降溫，自由降溫，制得復(fù)合材料板坯體。
[0020]步驟(6)中，燒結(jié)的溫度為1500-1700°C，燒結(jié)時(shí)間為2.5-3.5h。
[0021]采用上述制備方法制得的碳纖維增韌碳化硅復(fù)合材料板。
[0022]碳纖維增韌碳化娃復(fù)合材料板用于制造中低速磁懸浮列車滑橇。
[0023]碳化硅陶瓷由于具有高硬度、高強(qiáng)度、耐熱沖擊、低電導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、耐化學(xué)腐蝕和低密度等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于金屬和有機(jī)高分子材料不能滿足的工況條件下，并且成為非常理想的高溫工程結(jié)構(gòu)陶瓷及耐磨陶瓷。然而由于碳化硅陶瓷斷裂韌性低限制了其應(yīng)用與發(fā)展。碳纖維增韌補(bǔ)強(qiáng)碳化硅基復(fù)合材料能夠最大限度抑制陶瓷缺陷的體積效應(yīng)，有效偏折裂紋和最終纖維拔出來(lái)消耗斷裂能，從而發(fā)揮纖維的增韌和補(bǔ)強(qiáng)的作用，同時(shí)具有碳化硅原有的一系列優(yōu)良性能。
[0024]碳纖維增韌碳化硅基復(fù)合材料的性能主要取決于碳纖維與碳化硅基間的界面結(jié)合狀態(tài)、各物相間比例、纖維排列方式和纖維的有效長(zhǎng)度等。本發(fā)明從纖維表面改性和物象比例入手，發(fā)明出一種新型的碳纖維增韌碳化硅復(fù)合材料。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0026]1、通過(guò)將長(zhǎng)碳纖維進(jìn)行3D編織，由于3D編織的基本單元的纖維束有四個(gè)方向(二維兩向，Z向上，Z向下)，也就是說(shuō)，纖維束在空間上可以均衡地向四個(gè)方向延伸，從力學(xué)角度來(lái)看，這種結(jié)構(gòu)均衡具有良好的綜合力學(xué)性能指標(biāo)。另外，在編織過(guò)程中還可以沿立方體單元的三個(gè)正方向加筋，用來(lái)增強(qiáng)某一個(gè)或兩個(gè)方向的強(qiáng)度和剛度，這樣很好地發(fā)揮了復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性的優(yōu)點(diǎn)。因此引入Z向纖維克服了 2D復(fù)合材料層間性能低的缺點(diǎn)，提高了厚度方向的力學(xué)性能。
[0027]2、通過(guò)氣相沉積在碳纖維表面形成熱解碳作為復(fù)合材料界面，熱解炭界面層被用來(lái)傳遞整個(gè)材料的受力以及其他信息，起到“橋梁”與“紐帶”的作用。
[0028]3、在浸漬膠液中加入短碳纖維，與連續(xù)纖維相比，短纖維的分布具有隨機(jī)取向性，能在多個(gè)方向上與基體相互作用，提高結(jié)合力，使得復(fù)合材料的強(qiáng)度更高。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0030]實(shí)施例1
[0031]采用碳纖維采用日本東麗公司生產(chǎn)的T700-12K連續(xù)碳纖維和PAN纖維，首先將碳纖維進(jìn)行表面除膠和活化處理:在60°C去離子水中超聲處理1.5h ;在60°(:濃硝酸浸泡處理Ih ;以及在60°C將60%濃硝酸(化學(xué)純)超聲處理1.5h，去除纖維表面的膠體和有機(jī)粘結(jié)劑，處理完成后將碳纖維清洗至中性，再于80°C真空下烘干直至質(zhì)量恒定。
[0032]對(duì)表面處理過(guò)后的T700-12K連續(xù)碳纖維進(jìn)行3D編織，引入Z向纖維，編織成厚度為20mm的纖維編織塊；將PAN纖維短切成長(zhǎng)度為3mm的短碳纖維；將3D碳纖維編織體放入1000°C沉積爐中保溫2h，保溫2h后，以lm3/h的速度通入丙烷進(jìn)行氣相沉積10h，沉積結(jié)束后，先讓沉積爐進(jìn)行程序控制降溫，而后自由降溫至室溫，打開(kāi)沉積爐，取出沉積完成的編織體，此時(shí)纖維編織體表面已經(jīng)形成一層熱解碳，以同樣步驟對(duì)短碳纖維進(jìn)行表面熱解碳沉積。
[0033]浸漬膠液制備，主要成分為聚碳硅烷(PCS)、二乙烯基苯(DVB)、四氫呋喃(THF)與短碳纖維(已沉積熱解碳)，質(zhì)量配比為1:0.1:1:0.9ο具體操作為:在室溫下將稱取好的THF溶液放置于玻璃容器內(nèi)，然后將PCS粉末倒入裝有THF的容器內(nèi)，直至倒入玻璃容器中的PCS質(zhì)量與THF溶液質(zhì)量相等，再用樣品袋或塑料薄膜將玻璃容器口密封，讓整個(gè)容器在通風(fēng)櫥中靜置20min，等到溶液中PCS粉末完全溶于THF中，并呈現(xiàn)黃褐色澄清狀后，再將稱量好的DVB溶液倒入玻璃容器中，最后將一定質(zhì)量的短纖維加入，通過(guò)水浴加熱磁力攪拌使溶液混合均勻，最后靜置lh，從而配置好浸漬膠液。將3D碳纖維編織體浸入盛有浸漬膠液的浸膠槽中，將3D碳纖維編織體的一邊緩緩浸入膠液，再將另一邊緩緩放入，使得浸膠液沿著碳纖維方向緩慢漫過(guò)纖維，盡量減少浸漬過(guò)程對(duì)碳纖維造成的物理?yè)p傷。讓編織體在浸漬膠液中浸漬lOmin，使得浸漬膠液可以充分浸入纖維之間，然后取出編織體，用紗布將編織體表面的膠液擦干凈，并在通風(fēng)柜中通風(fēng)1min后，再次將編織體浸入浸膠槽，按照同樣步驟反復(fù)3次浸漬，使得浸漬充分，將風(fēng)干后的編織體放入55°C的烘箱保溫40min (保溫期間，多次短暫打開(kāi)烘箱門，讓溶劑THF揮發(fā)充分，防止爆炸)，40min保溫完成之后，調(diào)高烘箱溫度至130°C保溫50min，50min保溫完成后，繼續(xù)調(diào)高烘箱溫度至170°C保溫3.5h，從而完成固化過(guò)程，然后將整個(gè)編織體送入1100°C高溫裂解爐進(jìn)行裂解2天，裂解完成后程序降溫，然后自由降溫，制備出復(fù)合材料板坯體，放置通風(fēng)處干燥12h。將干燥過(guò)后的坯體，表面涂覆過(guò)量的硅粉，送入燒結(jié)爐，設(shè)置溫度為1500°C，保溫時(shí)間為2.5h，燒結(jié)完成后自由降溫，取出復(fù)合板，即碳纖維增韌碳化硅復(fù)合材料板。
[0034]實(shí)施例2
[0035]采用碳纖維采用日本東麗公司生產(chǎn)的T700-12K連續(xù)纖維和PAN纖維，首先將碳纖維進(jìn)行表面除膠和活化處理:在60°C去離子水中超聲處理1.5h ;在60°C濃硝酸浸泡處理Ih ；以及在60°C將60%濃硝酸(化學(xué)純)超聲處理1.5h，去除纖維表面的膠體和有機(jī)粘結(jié)劑，處理完成后將碳纖維清洗至中性，