專利名稱：一種高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳/碳復(fù)合材料的制備方法，特別是一種高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材
料的化學(xué)氣相滲制備方法。
背景技術(shù)：
碳/碳復(fù)合材料是一種以碳纖維增強(qiáng)碳基體的先進(jìn)復(fù)合材料。它的整個(gè)體系由單 一碳元素構(gòu)成，具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)異性能。 特別是其高溫力學(xué)性能尤顯突出，在200(TC溫度以下，其強(qiáng)度隨溫度的升高不僅不下降，反 而有所升高，因此是一種非常優(yōu)異的高溫結(jié)構(gòu)材料。由于上述獨(dú)特性能，高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù) 合材料在航空、航天、熱加工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 獲得高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料的前提條件是僅可能保留增強(qiáng)體碳纖維和基體碳 的力學(xué)性能?；瘜W(xué)氣相滲碳是制備高性能碳/碳復(fù)合材料的首選方法，該方法制備的基體 熱解碳具有結(jié)構(gòu)均勻、完整、致密性好等優(yōu)點(diǎn)。但現(xiàn)有化學(xué)氣相滲碳工藝不適用于制備高 強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料。其原因有二 首先，現(xiàn)有化學(xué)氣相滲碳工藝需要預(yù)先對(duì)碳纖維預(yù) 制體實(shí)施石墨化處理，處理溫度1800-230(TC，這種高溫處理對(duì)碳纖維產(chǎn)生損傷，降低復(fù)合 材料中增強(qiáng)體碳纖維的力學(xué)性能；其次，也是更重要的原因，采用現(xiàn)有化學(xué)氣相滲碳工藝制 備碳/碳復(fù)合材料，必須進(jìn)行中間石墨化處理和機(jī)加工去皮處理。因?yàn)椋F(xiàn)有化學(xué)氣相滲碳 工藝對(duì)碳纖維預(yù)制體的增密過程是一種非均勻的增密過程，碳纖維預(yù)制體增密到一定程度 (如表觀密度1.3g/cm3)時(shí)，將導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生閉孔，阻礙氣流通過，使后續(xù)增密過程無(wú)法 進(jìn)行。只有借助高溫石墨化處理，打通閉孔，并采用機(jī)加工去除表面結(jié)殼，形成新的氣流通 道，才能繼續(xù)實(shí)施化學(xué)氣相滲碳增密。這種中間石墨化處理溫度一般為2300°C ，通常需進(jìn)行 3-6次，才能制備出表觀密度為1. 76g/cm3以上的碳/碳復(fù)合材料。中間石墨化處理對(duì)碳/ 碳復(fù)合材料中的碳纖維和基體熱解碳的力學(xué)性能均產(chǎn)生不利影響，其結(jié)果是嚴(yán)重降低復(fù)合 材料的力學(xué)性能，以抗彎強(qiáng)度為例，難以達(dá)到200MPa，遠(yuǎn)低于碳纖維本身的強(qiáng)度lOOOMPa以 上。 綜上，碳纖維預(yù)制體的預(yù)石墨化處理、碳/碳復(fù)合材料的中間石墨化處理及最終 石墨化處理是導(dǎo)致碳/碳復(fù)合材料力學(xué)性能欠佳的主要原因。為充分利用碳纖維的增強(qiáng)效 果，保留基體熱解碳的力學(xué)性能，獲得高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料，必須剔除制備工藝流程中 的石墨化處理工序。
發(fā)明目的 本發(fā)明的目的在于提供一種不包含碳纖維預(yù)制體的預(yù)石墨化處理、碳/碳復(fù)合材 料的中間石墨化處理及最終石墨化處理工序的高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料的化學(xué)氣相滲碳 制備方法。 本發(fā)明是采用下述方案實(shí)現(xiàn)的 1)將碳纖維預(yù)制體置于化學(xué)氣相滲碳爐中，預(yù)制體預(yù)先不經(jīng)過高溫石墨化處理；
2)抽真空、快速升溫化學(xué)氣相滲碳爐，加熱碳纖維預(yù)制體，脫除預(yù)制體中碳纖維表面的涂膠層，控制真空度不大于0. 08kPa、升溫速度為30-32°C /min ; 3)以(:3116為碳源氣、^為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳，控制(:3116 : ^體積比為 1 : 1 3、爐溫為900 1200。C、爐壓為7 21kPa ; 4)連續(xù)化學(xué)氣相滲碳80-100h后，隨爐冷卻即得本發(fā)明的高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材 料。 本發(fā)明中，所述待增密碳纖維預(yù)制體可以是碳纖維針剌整體氈或碳纖維三維穿剌 氈中的一種，氈體的表觀密度為0. 2g/cm3 0. 8g/cm3。 本發(fā)明中，所述高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料的基體碳為光滑層結(jié)構(gòu)熱解碳。 本發(fā)明中，所述高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料在制備過程中不經(jīng)過中間石墨化處理。 本發(fā)明中，所述高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料不經(jīng)過最終石墨化處理。 本發(fā)明由于采用上述工藝方法，因而，具有如下優(yōu)點(diǎn)和積極效果 1、采用7 21kPa的高爐壓，保證碳/碳復(fù)合材料的均勻化學(xué)氣相滲碳，避免閉孔產(chǎn)生。 2、剔除碳纖維預(yù)制體的預(yù)石墨化處理、碳/碳復(fù)合材料的中間石墨化處理及最終 石墨化處理工序，最大限度保留碳纖維和基體熱解碳的力學(xué)性能。 3、采用本發(fā)明，以表觀密度為0. 6g/cm3的碳纖維針剌整體氈為預(yù)制體，經(jīng)100h化 學(xué)氣相滲碳，即可制備表觀密度為1. 75g/cm3的碳/碳復(fù)合材料，其抗彎強(qiáng)度達(dá)到300MPa以 上。 綜上所述，本發(fā)明-一 一種高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料的制備方法，剔除碳纖維預(yù)制 體的預(yù)石墨化處理、碳/碳復(fù)合材料的中間石墨化處理及最終石墨化處理工序，解決了長(zhǎng) 期以來(lái)本領(lǐng)域迫切希望解決而未能解決的問題，為高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料的制備提供了 一種切實(shí)可行的方法。


附圖1為現(xiàn)有化學(xué)氣相滲碳制備碳/碳復(fù)合材料工藝流程圖； 附圖2為本發(fā)明實(shí)施工藝流程圖； 附圖3為采用本發(fā)明制備的碳/碳復(fù)合材料工件； 附圖4為采用本發(fā)明制備的碳/碳復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施方式

實(shí)施例1 將表觀密度為0. 8g/cm3的碳纖維針剌整體氈置于化學(xué)氣相滲碳爐中，預(yù)制體預(yù)先 不經(jīng)過高溫石墨化處理。抽真空、快速升溫化學(xué)氣相滲碳爐，加熱碳纖維預(yù)制體，脫除預(yù)制 體中碳纖維表面的涂膠層，控制真空度不大于0. 08kPa、升溫速度為30°C /min。以C3H6為 碳源氣、^為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳，控制(:3116 : ^體積比為1 : 1、爐溫為92(TC、爐 壓為7kPa。連續(xù)化學(xué)氣相滲碳100h后，隨爐冷卻即得本發(fā)明的高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料。
實(shí)施例2 將表觀密度為0. 6g/cm3的碳纖維針剌整體氈置于化學(xué)氣相滲碳爐中，預(yù)制體預(yù)先 不經(jīng)過高溫石墨化處理。抽真空、快速升溫化學(xué)氣相滲碳爐，加熱碳纖維預(yù)制體，脫除預(yù)制體中碳纖維表面的涂膠層，控制真空度不大于0. 08kPa、升溫速度為30°C /min。以C3H6為
碳源氣、^為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳，控制(:3116 : ^體積比為i : 1.5、爐溫為i020°c、
爐壓為llkPa。連續(xù)化學(xué)氣相滲碳lOOh后，隨爐冷卻即得本發(fā)明的高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材 料。 實(shí)施例3 將表觀密度為0. 5g/cm3的碳纖維針剌整體氈置于化學(xué)氣相滲碳爐中，預(yù)制體預(yù)先 不經(jīng)過高溫石墨化處理。抽真空、快速升溫化學(xué)氣相滲碳爐，加熱碳纖維預(yù)制體，脫除預(yù)制 體中碳纖維表面的涂膠層，控制真空度不大于0. 08kPa、升溫速度為30°C /min。以C3H6為 碳源氣、^為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳，控制(:3116 : ^體積比為1 : 1.8、爐溫為1050°C、 爐壓為14kPa。連續(xù)化學(xué)氣相滲碳100h后，隨爐冷卻即得本發(fā)明的高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材 料。 實(shí)施例4 將表觀密度為0. 4g/cm3的碳纖維針剌整體氈置于化學(xué)氣相滲碳爐中，預(yù)制體預(yù)先 不經(jīng)過高溫石墨化處理。抽真空、快速升溫化學(xué)氣相滲碳爐，加熱碳纖維預(yù)制體，脫除預(yù)制 體中碳纖維表面的涂膠層，控制真空度不大于0. 08kPa、升溫速度為30°C /min。以C3H6為 碳源氣、^為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳，控制(:3116 : ^體積比為1 : 2. 1、爐溫為IIO(TC、 爐壓為16kPa。連續(xù)化學(xué)氣相滲碳100h后，隨爐冷卻即得本發(fā)明的高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材 料。 實(shí)施例5 將表觀密度為0. 2g/cm3的碳纖維針剌整體氈置于化學(xué)氣相滲碳爐中，預(yù)制體預(yù)先 不經(jīng)過高溫石墨化處理。抽真空、快速升溫化學(xué)氣相滲碳爐，加熱碳纖維預(yù)制體，脫除預(yù)制 體中碳纖維表面的涂膠層，控制真空度不大于0. 08kPa、升溫速度為31°C /min。以C3H6為 碳源氣、^為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳，控制(:3116 : ^體積比為1 : 3、爐溫為118(TC、爐 壓為21kPa。連續(xù)化學(xué)氣相滲碳90h后，隨爐冷卻即得本發(fā)明的高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料。
實(shí)施例6 將表觀密度為0. 8g/cm3的碳纖維三維穿剌氈置于化學(xué)氣相滲碳爐中，預(yù)制體預(yù)先 不經(jīng)過高溫石墨化處理。抽真空、快速升溫化學(xué)氣相滲碳爐，加熱碳纖維預(yù)制體，脫除預(yù)制 體中碳纖維表面的涂膠層，控制真空度不大于0. 08kPa、升溫速度為30°C /min。以C3H6為 碳源氣、^為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳，控制(:3116 : ^體積比為1 : 1、爐溫為92(TC、爐 壓為7kPa。連續(xù)化學(xué)氣相滲碳100h后，隨爐冷卻即得本發(fā)明的高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料。
實(shí)施例7 將表觀密度為0. 6g/cm3的碳纖維三維穿剌氈置于化學(xué)氣相滲碳爐中，預(yù)制體預(yù)先 不經(jīng)過高溫石墨化處理。抽真空、快速升溫化學(xué)氣相滲碳爐，加熱碳纖維預(yù)制體，脫除預(yù)制 體中碳纖維表面的涂膠層，控制真空度不大于0. 08kPa、升溫速度為30°C /min。以C3H6為
碳源氣、^為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳，控制(:3116 : ^體積比為i : 1.5、爐溫為i020°c、
爐壓為llkPa。連續(xù)化學(xué)氣相滲碳lOOh后，隨爐冷卻即得本發(fā)明的高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材 料。 實(shí)施例8 將表觀密度為0. 5g/cm3的碳纖維三維穿剌氈置于化學(xué)氣相滲碳爐中，預(yù)制體預(yù)先不經(jīng)過高溫石墨化處理。抽真空、快速升溫化學(xué)氣相滲碳爐，加熱碳纖維預(yù)制體，脫除預(yù)制體中碳纖維表面的涂膠層，控制真空度不大于0. 08kPa、升溫速度為30°C /min。以C3H6為碳源氣、^為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳，控制(:3116 : ^體積比為1 : 1.8、爐溫為IIO(TC、爐壓為13kPa。連續(xù)化學(xué)氣相滲碳100h后，隨爐冷卻即得本發(fā)明的高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料。 實(shí)施例9 將表觀密度為0. 4g/cm3的碳纖維三維穿剌氈置于化學(xué)氣相滲碳爐中，預(yù)制體預(yù)先不經(jīng)過高溫石墨化處理。抽真空、快速升溫化學(xué)氣相滲碳爐，加熱碳纖維預(yù)制體，脫除預(yù)制體中碳纖維表面的涂膠層，控制真空度不大于0.08kPa、升溫速度為32tVmin。以C3H6為碳源氣、^為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳，控制(:3116 : ^體積比為1 : 2.4、爐溫為114(TC、爐壓為16kPa。連續(xù)化學(xué)氣相滲碳80h后，隨爐冷卻即得本發(fā)明的高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料。
權(quán)利要求
一種高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料的制備方法，包括下述步驟1)將碳纖維預(yù)制體置于化學(xué)氣相滲碳爐中，預(yù)制體預(yù)先不經(jīng)過高溫石墨化處理；2)抽真空、快速升溫化學(xué)氣相滲碳爐，加熱碳纖維預(yù)制體，脫除預(yù)制體中碳纖維表面的涂膠層，控制真空度不大于0.08kPa、升溫速度為30-32℃/min；3)以C3H6為碳源氣、N2為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳，控制C3H6∶N2體積比為1∶1～3、爐溫為900～1200℃、爐壓為7～21kPa；4)連續(xù)化學(xué)氣相滲碳80-100h后，隨爐冷卻即得本發(fā)明的高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料，基體碳為C3H6分解沉積于碳纖維上得到的熱解碳。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述碳 纖維預(yù)制體是碳纖維針剌整體氈或碳纖維三維穿剌氈中的一種，氈體的表觀密度為0. 2g/
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述高 強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料的基體碳為光滑層結(jié)構(gòu)熱解碳。
全文摘要
一種高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料的制備方法，包括下述步驟將碳纖維預(yù)制體置于化學(xué)氣相滲碳爐中，預(yù)制體預(yù)先不經(jīng)過高溫石墨化處理；抽真空、快速升溫化學(xué)氣相滲碳爐，加熱碳纖維預(yù)制體，脫除預(yù)制體中碳纖維表面的涂膠層，控制真空度不大于0.08kPa、升溫速度為30-32℃/min；以C3H6為碳源氣、N2為稀釋氣，實(shí)施化學(xué)氣相滲碳，控制C3H6∶N2體積比為1∶1～3、爐溫為900～1200℃、爐壓為7～21kPa；連續(xù)化學(xué)氣相滲碳80-100h后，隨爐冷卻即得本發(fā)明的高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料。本發(fā)明解決了長(zhǎng)期以來(lái)本領(lǐng)域的碳纖維預(yù)制體需要預(yù)石墨化處理、碳/碳復(fù)合材料的中間石墨化處理及最終石墨化處理工序問題，為高強(qiáng)高韌碳/碳復(fù)合材料的制備提供了一種切實(shí)可行的方法。
文檔編號(hào)C04B35/83GK101717269SQ200910044769
公開日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月18日
發(fā)明者于澍, 夏莉紅, 張福勤, 梁世棟, 歐孝璽 申請(qǐng)人:中南大學(xué)