一種碳-碳復(fù)合材料的制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種碳?碳復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明制備的碳?碳復(fù)合材料，采用復(fù)合碳纖維材料，提升了材料的機(jī)械性能，采用特定工藝及參數(shù)，使得密度小、力學(xué)性能好、抗燒蝕性能良好。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種碳-碳復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種碳-碳復(fù)合材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳-碳復(fù)合材料是碳纖維增強(qiáng)碳基體的復(fù)合材料，具有密度小、力學(xué)性能好、抗燒蝕性能良好、優(yōu)異的摩擦磨損性能、熱容大、抗熱震性良好、比強(qiáng)度、比模量、斷裂韌性高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航天、航空、核電、冶金、汽車(chē)等領(lǐng)域。同時(shí)具有良好的耐腐蝕性，很高的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠在生物體內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定的形狀和機(jī)械性能，具有很好的生物相容性，細(xì)胞可以很好的融入其孔隙當(dāng)中，且疲勞特性好、彈性模量與骨相當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)，是一種極具潛力的骨修復(fù)和骨替代生物醫(yī)用材料。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，化學(xué)氣相滲透工藝是制備炭炭復(fù)合材料的主要方法，等溫化學(xué)氣相滲透工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，對(duì)復(fù)雜形狀制品可處理性強(qiáng)，具有一爐多制品同時(shí)滲透的特點(diǎn)，在炭炭復(fù)合材料制備領(lǐng)域占據(jù)極其重要的地位。其不足之處在于:等溫化學(xué)氣相滲透工藝存在熱解反應(yīng)、沉積反應(yīng)和氣體擴(kuò)散之間的競(jìng)爭(zhēng)，沉積速率大于擴(kuò)散速率，導(dǎo)致炭炭復(fù)合材料出現(xiàn)嚴(yán)重的密度梯度，甚至出現(xiàn)表面結(jié)殼現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種碳-碳復(fù)合材料的制備方法，使用該方法工藝可控，密度小、力學(xué)性能好、抗燒蝕性能良好。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種碳-碳復(fù)合材料的制備方法，該方法包括如下步驟:
(I)制備碳纖維復(fù)合材料
在真空條件下，將碳纖維放入2150°C_2225°C環(huán)境中鍛燒2-3h，將鍛燒后的碳纖維基體用硝酸和硫酸的混合溶液在50-70 °C浸泡50-80min，接著用去離子水沖洗至中性，最后烘干待用；
取I O-12mL復(fù)合催化劑，加入濃度為2mo I /L的氨水90_120mL，再加入30_50mL無(wú)水乙醇，攪拌使其混合均勻；
將的混合溶液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，將所得的碳纖維預(yù)制體放入釜中浸漬8-10h; 將反應(yīng)釜浸入120-140 °C的油浴中反應(yīng)2-3h ；
用冷水對(duì)反應(yīng)釜急冷，使其溫度降至室溫，取出碳纖維預(yù)制體，在不斷翻動(dòng)的情況下陰干；
將所得的試樣轉(zhuǎn)入真空碳管爐中鍛燒、還原，得加載有金屬催化劑Ni顆粒的碳纖維預(yù)制體；
將所得碳纖維預(yù)制體裝載在真空碳管爐中，進(jìn)行沉積增密。其中，主要工藝參數(shù)為:溫度1200-1300°C，管道天然氣氣體流量范圍為5-7L，氣氛壓力控制為1.5-2KPa，沉積時(shí)間為50-60h； 將所得沉積增密后的樣品在2200-2250°C溫度下高溫石墨化處理2h-3h，自然冷卻后得到復(fù)合碳纖維材料；
(2)將酚醛樹(shù)脂和乙醇按比例混合攪拌，酚醛樹(shù)脂完全溶解后，繼續(xù)攪拌一段時(shí)間，使酚醛樹(shù)脂和乙醇混合均勻，一般10-15min即可，再加入適量的酸性催化劑，攪拌均勻，一般繼續(xù)攪拌10_15min即可，得到均勻穩(wěn)定的酚醛樹(shù)脂溶液，所述的酚醛樹(shù)脂與乙醇的質(zhì)量比為 ι:α-5);
催化劑選擇乙酸，優(yōu)選的添加量為酚醛樹(shù)脂質(zhì)量的6-10% ;。
[0006](3)真空浸漬:將上述復(fù)合碳纖維材料浸沒(méi)在所述酚醛樹(shù)脂溶液中，在密閉狀態(tài)下進(jìn)行真空浸漬；
(4)在密閉狀態(tài)下加熱，使浸沒(méi)在酚醛樹(shù)脂溶液中的低密度復(fù)合碳纖維材料在飽和乙醇蒸汽環(huán)境中進(jìn)行固化，獲得納米尺度的顆粒狀碳基體；
固化全過(guò)程在過(guò)量的乙醇溶劑中完成，碳樹(shù)脂先驅(qū)體在密閉容器內(nèi)，在高溫及乙醇飽和蒸汽壓的共同作用下交聯(lián)固化，碳樹(shù)脂先驅(qū)體在過(guò)量乙醇中固化生成交聯(lián)結(jié)構(gòu)的納米凝膠；
固化工藝為:按40-60°C/h的升溫速率由室溫升溫至150-180°C，保溫2-3h，再按10-200C /h的升溫速率升溫至190-210 °C,保溫3-4小時(shí)，自然降溫至100 °C以下后，可通入冷卻水或風(fēng)冷快速降溫；
(5)固化后的顆粒狀碳基體，去除表面附著的酚醛塊，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下按100-150°C/h的升溫速率升溫至900-115(TC進(jìn)行高溫裂解，得到碳-碳復(fù)合材料。
[0007]本發(fā)明制備的碳-碳復(fù)合材料，采用復(fù)合碳纖維材料，提升了材料的機(jī)械性能，采用特定工藝及參數(shù)，使得密度小、力學(xué)性能好、抗燒蝕性能良好。
【具體實(shí)施方式】
[0008]實(shí)施例一
在真空條件下，將碳纖維放入2150°C環(huán)境中鍛燒2h，將鍛燒后的碳纖維基體用硝酸和硫酸的混合溶液在50°C浸泡50min，接著用去離子水沖洗至中性，最后烘干待用。
[0009]取1mL復(fù)合催化劑，加入濃度為2mol/L的氨水90mL，再加入30mL無(wú)水乙醇，攪拌使其混合均勻。將的混合溶液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，將所得的碳纖維預(yù)制體放入釜中浸漬8h。將反應(yīng)釜浸入120°C的油浴中反應(yīng)2h。用冷水對(duì)反應(yīng)釜急冷，使其溫度降至室溫，取出碳纖維預(yù)制體，在不斷翻動(dòng)的情況下陰干。將所得的試樣轉(zhuǎn)入真空碳管爐中鍛燒、還原，得加載有金屬催化劑附顆粒的碳纖維預(yù)制體。復(fù)合催化劑中附、1^^1的摩爾比為:祖:1^:41 = 10:1:4ο
[0010]將所得碳纖維預(yù)制體裝載在真空碳管爐中，進(jìn)行沉積增密。其中，主要工藝參數(shù)為:溫度12000C，管道天然氣氣體流量范圍為5L，氣氛壓力控制為1.5KPa，沉積時(shí)間為50h。
[0011]將所得沉積增密后的樣品在2200°C溫度下高溫石墨化處理2h，自然冷卻后得到復(fù)合碳纖維材料。
將酚醛樹(shù)脂和乙醇按比例混合攪拌，酚醛樹(shù)脂完全溶解后，繼續(xù)攪拌一段時(shí)間，使酚醛樹(shù)脂和乙醇混合均勻，一般1min即可，再加入適量的酸性催化劑，攪拌均勻，一般繼續(xù)攪拌1min即可，得到均勻穩(wěn)定的酚醛樹(shù)脂溶液，所述的酚醛樹(shù)脂與乙醇的質(zhì)量比為1:1;催化劑選擇乙酸，優(yōu)選的添加量為酚醛樹(shù)脂質(zhì)量的6%。
[0012]真空浸漬:將上述復(fù)合碳纖維材料浸沒(méi)在所述酚醛樹(shù)脂溶液中，在密閉狀態(tài)下進(jìn)行真空浸漬。
[0013]在密閉狀態(tài)下加熱，使浸沒(méi)在酚醛樹(shù)脂溶液中的低密度復(fù)合碳纖維材料在飽和乙醇蒸汽環(huán)境中進(jìn)行固化，獲得納米尺度的顆粒狀碳基體。
[0014]固化全過(guò)程在過(guò)量的乙醇溶劑中完成，碳樹(shù)脂先驅(qū)體在密閉容器內(nèi)，在高溫及乙醇飽和蒸汽壓的共同作用下交聯(lián)固化，碳樹(shù)脂先驅(qū)體在過(guò)量乙醇中固化生成交聯(lián)結(jié)構(gòu)的納米凝膠。
[0015]固化工藝為:按400C /h的升溫速率由室溫升溫至150 °C，保溫2h，再按1 °C /h的升溫速率升溫至190°C，保溫3小時(shí)，自然降溫至100°C以下后，可通入冷卻水或風(fēng)冷快速降溫。
[0016]固化后的顆粒狀碳基體，去除表面附著的酚醛塊，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下按100°C/h的升溫速率升溫至900°C進(jìn)行高溫裂解，得到碳-碳復(fù)合材料。
[0017]實(shí)施例二
在真空條件下，將碳纖維放入2225°C環(huán)境中鍛燒3h，將鍛燒后的碳纖維基體用硝酸和硫酸的混合溶液在70°C浸泡80min，接著用去離子水沖洗至中性，最后烘干待用。
[0018]取12mL復(fù)合催化劑，加入濃度為2mol/L的氨水120mL，再加入50mL無(wú)水乙醇，攪拌使其混合均勻。將的混合溶液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，將所得的碳纖維預(yù)制體放入釜中浸漬1h O將反應(yīng)釜浸入140 0C的油浴中反應(yīng)3h。用冷水對(duì)反應(yīng)釜急冷，使其溫度降至室溫，取出碳纖維預(yù)制體，在不斷翻動(dòng)的情況下陰干。將所得的試樣轉(zhuǎn)入真空碳管爐中鍛燒、還原，得加載有金屬催化劑Ni顆粒的碳纖維預(yù)制體。復(fù)合催化劑中N1、La、Al的摩爾比為:N1:La:Al= 10:1:4。
[0019]將所得碳纖維預(yù)制體裝載在真空碳管爐中，進(jìn)行沉積增密。其中，主要工藝參數(shù)為:溫度13000C，管道天然氣氣體流量范圍為7L，氣氛壓力控制為2KPa，沉積時(shí)間為60h。
[0020]將所得沉積增密后的樣品在2250°C溫度下高溫石墨化處理3h，自然冷卻后得到復(fù)合碳纖維材料。
將酚醛樹(shù)脂和乙醇按比例混合攪拌，酚醛樹(shù)脂完全溶解后，繼續(xù)攪拌一段時(shí)間，使酚醛樹(shù)脂和乙醇混合均勻，一般15min即可，再加入適量的酸性催化劑，攪拌均勻，一般繼續(xù)攪拌15min即可，得到均勻穩(wěn)定的酚醛樹(shù)脂溶液，所述的酚醛樹(shù)脂與乙醇的質(zhì)量比為1:5;催化劑選擇乙酸，優(yōu)選的添加量為酚醛樹(shù)脂質(zhì)量的10%。
[0021]真空浸漬:將上述復(fù)合碳纖維材料浸沒(méi)在所述酚醛樹(shù)脂溶液中，在密閉狀態(tài)下進(jìn)行真空浸漬。
[0022]在密閉狀態(tài)下加熱，使浸沒(méi)在酚醛樹(shù)脂溶液中的低密度復(fù)合碳纖維材料在飽和乙醇蒸汽環(huán)境中進(jìn)行固化，獲得納米尺度的顆粒狀碳基體。
[0023]固化全過(guò)程在過(guò)量的乙醇溶劑中完成，碳樹(shù)脂先驅(qū)體在密閉容器內(nèi)，在高溫及乙醇飽和蒸汽壓的共同作用下交聯(lián)固化，碳樹(shù)脂先驅(qū)體在過(guò)量乙醇中固化生成交聯(lián)結(jié)構(gòu)的納米凝膠。
[0024]固化工藝為:按60°C/h的升溫速率由室溫升溫至180 0C，保溫3h，再按20 V /h的升溫速率升溫至210°C，保溫4小時(shí)，自然降溫至100°C以下后，可通入冷卻水或風(fēng)冷快速降溫。
[0025]固化后的顆粒狀碳基體，去除表面附著的酚醛塊，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下按150°C/h的升溫速率升溫至1150°c進(jìn)行高溫裂解，得到碳-碳復(fù)合材料。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種碳-碳復(fù)合材料的制備方法，該方法包括如下步驟: (1)制備碳纖維復(fù)合材料 在真空條件下，將碳纖維放入2150°c-2225°c環(huán)境中鍛燒2-3h，將鍛燒后的碳纖維基體用硝酸和硫酸的混合溶液在50-70 °C浸泡50-80min，接著用去離子水沖洗至中性，最后烘干待用； 取10-12mL復(fù)合催化劑，加入濃度為2mol/L的氨水90-120mL，再加入30-50mL無(wú)水乙醇，攪拌使其混合均勻； 將的混合溶液轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜中，將所得的碳纖維預(yù)制體放入釜中浸漬8-10h; 將反應(yīng)釜浸入120-140 0C的油浴中反應(yīng)2-3h ； 用冷水對(duì)反應(yīng)釜急冷，使其溫度降至室溫，取出碳纖維預(yù)制體，在不斷翻動(dòng)的情況下陰干； 將所得的試樣轉(zhuǎn)入真空碳管爐中鍛燒、還原，得加載有金屬催化劑Ni顆粒的碳纖維預(yù)制體； 將所得碳纖維預(yù)制體裝載在真空碳管爐中，進(jìn)行沉積增密，其中，主要工藝參數(shù)為:溫度1200-1300°C，管道天然氣氣體流量范圍為5-7L，氣氛壓力控制為1.5-2KPa，沉積時(shí)間為50-60h； 將所得沉積增密后的樣品在2200-2250°C溫度下高溫石墨化處理2h-3h，自然冷卻后得到復(fù)合碳纖維材料； (2)將酚醛樹(shù)脂和乙醇按比例混合攪拌，酚醛樹(shù)脂完全溶解后，繼續(xù)攪拌一段時(shí)間，使酚醛樹(shù)脂和乙醇混合均勻，一般10-15min即可，再加入適量的酸性催化劑，攪拌均勻，一般繼續(xù)攪拌10_15min即可，得到均勻穩(wěn)定的酚醛樹(shù)脂溶液，所述的酚醛樹(shù)脂與乙醇的質(zhì)量比為1:(1-5);催化劑選擇乙酸，優(yōu)選的添加量為酚醛樹(shù)脂質(zhì)量的6-10%; (3)真空浸漬:將上述復(fù)合碳纖維材料浸沒(méi)在所述酚醛樹(shù)脂溶液中，在密閉狀態(tài)下進(jìn)行真空浸漬； (4)在密閉狀態(tài)下加熱，使浸沒(méi)在酚醛樹(shù)脂溶液中的低密度復(fù)合碳纖維材料在飽和乙醇蒸汽環(huán)境中進(jìn)行固化，獲得納米尺度的顆粒狀碳基體； 固化全過(guò)程在過(guò)量的乙醇溶劑中完成，碳樹(shù)脂先驅(qū)體在密閉容器內(nèi)，在高溫及乙醇飽和蒸汽壓的共同作用下交聯(lián)固化，碳樹(shù)脂先驅(qū)體在過(guò)量乙醇中固化生成交聯(lián)結(jié)構(gòu)的納米凝膠； 固化工藝為:按40-60 0C /h的升溫速率由室溫升溫至150-180 °C，保溫2_3h，再按10-200C /h的升溫速率升溫至190-210 °C,保溫3-4小時(shí)，自然降溫至100 °C以下后，可通入冷卻水或風(fēng)冷快速降溫； (5)固化后的顆粒狀碳基體，去除表面附著的酚醛塊，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下按100-150°C/h的升溫速率升溫至900-115(TC進(jìn)行高溫裂解，得到碳-碳復(fù)合材料。
【文檔編號(hào)】C04B35/83GK106007772SQ201610344317
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月23日
【發(fā)明人】不公告發(fā)明人
【申請(qǐng)人】蘇州思創(chuàng)源博電子科技有限公司