專利名稱：一種碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于碳/碳復(fù)合隔熱材料技術(shù)領(lǐng)域，具體地說涉及了一種碳/碳復(fù)合密度 梯度隔熱成型材料，是直接用在真空及惰性氣體保護(hù)的高溫爐內(nèi)，能在1300-2500°C的溫度 下穩(wěn)定使用，尤其是多晶硅鑄錠爐及單晶硅直拉爐熱場的必不可少的隔熱材料。也涉及了 生產(chǎn)效率高成本低的一種制作方法。
背景技術(shù)：
碳/碳復(fù)合隔熱材料具有耐高溫、剛性好、加工性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航 天、通訊光纖、新能源、高性能陶瓷制造、晶體生長領(lǐng)域，而隨著新能源光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展當(dāng)前 多晶鑄錠爐及單晶爐熱場的隔熱材料，又廣受關(guān)注成為一個(gè)熱點(diǎn)。目前碳/碳復(fù)合隔熱成型材料是內(nèi)部、表層密度均一的，表層沒有致密化處理，使 得隔熱性能、發(fā)塵量和使用壽命都不理想。其主要性能指標(biāo)如表1 中國專利公開號CN101445376A中所說高溫爐用碳/碳復(fù)合材料圓筒敘述了一種 圓筒的制備方法使用碳纖維布經(jīng)過浸膠機(jī)浸漬酚醛樹脂后纏繞、加壓固化、碳化處理再補(bǔ) 增密、再高溫處理得到碳/碳復(fù)合材料圓筒，雖然這種材料工藝一致性好抗拉強(qiáng)度高，但是 這種材料密度為0. 25-0. 50g/cm3,做保溫材料密度偏大保溫效果不佳，只適合做爐子結(jié)構(gòu) 材料。中國專利申請?zhí)?00610136811. X關(guān)于硅晶體生長爐用高純固化碳?xì)种圃旆椒ǎ?其工藝是選擇金屬雜質(zhì)含量很低的軟氈作坯體材料，高溫預(yù)處理成石墨氈體，用石墨粘 體制作坯體均勻滲入固化劑進(jìn)行固化定型，碳化處理坯體，再對坯體進(jìn)行化學(xué)氣相預(yù)沉積， 對表面切削加工，再高溫處理去除金屬雜質(zhì)然后表面涂層，制得固化碳?xì)?，金屬雜質(zhì)含量在 300ppm以內(nèi)。這種工藝繁雜，對軟氈要在高溫下處理后才能用，增加了成本，操作復(fù)雜，價(jià)格 昂貴，難以推廣。生產(chǎn)時(shí)間長產(chǎn)能比較低。而且沉積厚度無法按需控制導(dǎo)致密度偏大。本申請人同日申請的名稱為“一種耐高溫碳纖維隔熱氈”的中國發(fā)明專利為本發(fā) 明碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱材料提供了可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種拉伸強(qiáng)度高、熱傳導(dǎo)率低隔熱性能好、發(fā)塵量少和使用 壽命長的碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱成型材料。本發(fā)明的另一目的在于提供一種生產(chǎn)效率高，操作簡單，成本相對低廉的碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱成型材料的生產(chǎn)方法。本發(fā)明以本申請人同日申請的一種耐高溫碳纖維隔熱氈作為坯體材料，其纖維配 向各向異性X-Y平面與Z向纖維份數(shù)比為50 250 1。厚度為30微米的20微米孔徑 陣列不飽和聚酯模板作密度梯度界面層?？扇苄詿峁绦苑尤渲鞯兔芏扰黧w材料浸漬 劑，改性線性酚醛清漆樹脂作表層坯體浸漬劑，進(jìn)行一次性壓制固化，然后在50(TC液相沉 碳后形成表層致密，內(nèi)部低密度的密度梯度，最終在2400°C高溫處理后制成金屬雜質(zhì)含量 在200ppm以內(nèi)的碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱成型材料。碳/碳復(fù)合密度梯度結(jié)構(gòu)示意圖如附圖1所示。參見附圖1可知，依50毫米厚碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱成型材料為例，它有5層 密度不同、厚度不同的碳/碳復(fù)合材料構(gòu)成。改性線性酚醛清漆樹脂和聚丙烯腈基碳纖維隔熱氈復(fù)合組成的正面致密碳/碳 復(fù)合層1，30微米聚酯碳/碳復(fù)合層2，可溶性熱固性酚醛樹脂和聚丙烯腈基碳纖維隔熱氈 復(fù)合組成的內(nèi)部碳/碳復(fù)合心層3，30微米聚酯碳/碳復(fù)合層4，改性線性酚醛清漆樹脂和 聚丙烯腈基碳纖維隔熱氈復(fù)合組成的背面致密碳/碳復(fù)合層5。圖中6是30微米厚聚酯平面上開的20微米的孔，平面分布孔10孔/厘米2。正面致密層1 :1層組成，厚度1-3毫米，密度0.45-0. 78克/厘米3。內(nèi)部心層3 1-30層組成，厚度5-200毫米，密度0. 16-0. 20克/厘米3。背面致密層5 1層組成，厚度1-3毫米，密度0. 45-0. 78克/厘米3?？偣に嚵鞒虉D如附圖2所示。具體制備方法(1)裁剪將厚度為8-12毫米，門幅為1. 5米，克重為350-700克/米2，拉伸強(qiáng)度 為15-45N/2厘米，長度20米的一卷纖維配向各向異性(X_Y平面與Z向纖維份數(shù)比為50 250 1)耐高溫碳纖維隔熱氈裁剪成3-32片1500X1420X12mm的長方體作坯體材料。(2)配膠將固含量60%的PL_4246(群榮化工)型可溶性熱固性酚醛樹脂用99% 分析純的酒精配成固含量30 45%的液體浸漬劑，配好后倒入攪拌桶中進(jìn)行均勻攪拌，以 備浸漬之用。(3)浸漬把(1)中裁剪好的坯體材料取出2片其余的坯體材料用(2)中配好的 浸漬劑進(jìn)行浸漬，坯體材料與浸漬劑重量之比為1 1.15 1.40。浸漬在常溫下把通過比 例計(jì)算的液體浸漬劑噴浸在坯體材料即可，噴浸一定要均勻。(4)裝模在模具中貼好離型紙，再把(3)中浸漬好的坯體材料整齊的裝入模具 中，在裝模過程中在上、下表面各鋪設(shè)20微米孔徑陣列不飽和聚酯模板2片，其厚度為30 微米。在2片20微米孔徑陣列不飽和聚酯模板上、下面再各放1片從(1)中取出的2片 坯體材料，然后對20微米孔徑陣列不飽和聚酯模板上、下面的2片坯體材料在常溫下噴 浸改性線性酚醛清漆樹脂。噴浸量可根據(jù)坯體材料與改性線性酚醛清漆樹脂重量之比為 1 1.2 1.5。所述的改性線性酚醛清漆樹脂是硅改性F01-1型線性酚醛清漆樹脂，固含 量為57-70%。所述的噴浸改性線性酚醛清漆樹脂的浸液是用99%分析純的酒精配成固含 量45 50%的液體浸漬劑。(5)壓制固化把(4)中裝好坯體材料的模具放到16T型壓機(jī)中進(jìn)行一次性成型 壓制。壓力為0.625Kg/cm2。帶壓固化，固化溫度室溫到175°C，固化時(shí)間3 6小時(shí)。推
5薦以每小時(shí)升溫50°C從常溫升到175°C，然后冷卻到50°C以下，從壓機(jī)中取出。(6)液相沉碳步驟(5)固化好的產(chǎn)品裝入高溫?zé)Y(jié)爐，在IO-SOOOPa壓力下，以 每小時(shí)升溫75°C到400°C，然后每小時(shí)升溫25°C到500°C，500°C保溫2小時(shí)。線性酚醛清 漆樹脂在400°C -500°C的范圍內(nèi)開始形成碳，當(dāng)改性線性酚醛清漆樹脂在500°C液相沉碳 后與不飽和聚酯模板在更高溫下碳化形成致密的高密度碳/碳復(fù)合材料表層，而用可溶性 熱固性酚醛樹脂浸漬的坯體材料在高溫下碳化形成低密度碳/碳復(fù)合材料內(nèi)層得到整體 密度梯度隔熱材料。(7)高溫?zé)Y(jié)在10_8000Pa壓力下，對500°C液相沉碳后的產(chǎn)品，每小時(shí)25 100°C的升溫速率達(dá)到2400°C，在高溫下進(jìn)行凈化處理，制成金屬雜質(zhì)含量在200ppm以內(nèi) 的碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱成型材料；所述的升溫速率建議從500°C每小時(shí)升溫25°C到 600 V，每小時(shí)升溫30 V到750°C，在750°C恒溫2小時(shí)，然后每小時(shí)升溫40 V到950°C，每小 時(shí)升溫50°C到1200°C，每小時(shí)升溫55°C到1500°C，每小時(shí)升溫60°C到1800°C，每小時(shí)升溫 70°C到2000°C，每小時(shí)升溫75°C到2200°C，每小時(shí)升溫80°C到2400°C，2400°C保溫1小時(shí) 后停止升溫，自然降溫到室溫后出爐。上述制備方法步驟(4)中的20微米孔徑陣列不飽和聚酯模板為本申請人擁有的 CN101067027專利技術(shù)微孔陣列聚酯類模板的掩膜電子束輻照制備方法制備的。使用20微米孔徑陣列不飽和聚酯模板主要是阻隔改性線性熱塑性酚醛清漆樹脂 浸滲到不飽和聚酯模板下的坯體材料中。不飽和聚酯模板開20微米孔徑陣列，目的是讓坯體材料中絲徑8-12微米的碳纖 維穿過20微米孔徑陣列不飽和聚酯模板使不飽和聚酯模板與坯體材料良好的結(jié)合。上述步驟(5)中16T壓機(jī)為普通熱壓機(jī)。壓制工藝為一次性壓制成所需的厚度 (如50mm厚碳/碳復(fù)合隔熱材料是一次性壓制成53mm后燒結(jié)收縮而成)。上述步驟(6)中的液相沉碳是在400-500°C的液相中進(jìn)行的，液相碳化的碳通過 積層，在不飽和聚酯模板上沉積下來。上述步驟(7)的高溫處理對改性線性熱塑性酚醛清漆樹脂、不飽和聚酯模板、可 溶性熱固性酚醛樹脂碳化及石墨化。隨著溫度的不斷提高它們依次被碳化，最終在2400°C 下石墨化而制成一種碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱成型材料。本發(fā)明的碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱成型材料特點(diǎn)是一.表面層致密。正面致密的高密度材料層由于密度大(0.56g/cm3)空隙小，純度高(灰分小于 200PPm)，因此耐燒蝕、耐氧化。除此外還耐酸、耐堿。尤其是作為熱場材料當(dāng)表面有一層高 密度材料時(shí)在平面的各方向傳熱快，使平面各處的溫度均勻性好(< 士5°C )。而在厚度方 向上由于內(nèi)部心層疏松空隙多熱傳遞很小，使碳/碳復(fù)合密度梯度材料整體具有各向異性 的熱傳遞系數(shù)。背面表層致密度小于正面，但高于內(nèi)部心層，使碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱材 料強(qiáng)度、剛度好(用力方向垂直于面方向彎曲強(qiáng)度2. 36MPa，5%時(shí)彎曲強(qiáng)度為0. 50MPa ； 用力方向平行于面方向彎曲強(qiáng)度4. 12MPa，5%時(shí)彎曲強(qiáng)度為0. SlMPa)。材料強(qiáng)度，剛性明 顯的提高，有利于操作和使用。提高了氣體阻隔性，有利于抑制對流熱傳遞。減少比表面積提高耐氧化程度，提高 了使用壽命。減少對熱區(qū)面的氧化可以有效抑制碳塵的發(fā)生，提高爐內(nèi)環(huán)境清潔度，減少晶體中碳含量提升晶體品質(zhì)。二.內(nèi)部疏松低密度的材料。1.有效控制碳/碳復(fù)合隔熱材料的體密度，提高抑制熱傳遞的效果。2.減輕自重，便于安裝操作。3.減少材料自身蓄熱量，利于降溫，控制工藝時(shí)間。發(fā)明的效果本發(fā)明制成了 50mm厚的碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱材料。經(jīng)測試在真空狀態(tài)爐內(nèi) 1500°C時(shí)的平均熱傳遞系數(shù)為0. 213W/M/K，而目前市售同厚度各向異性碳/碳復(fù)合隔熱材 料的平均熱傳遞系數(shù)為0.220W/M/K，隔熱效果提高了 10%。其中，W/M/K代表物質(zhì)導(dǎo)熱能 力的量度單位。目前市售同厚度各向同性碳纖維隔熱材料的平均熱傳遞系數(shù)為0. 5W/M/K隔熱效 果提高了 1倍以上。用本發(fā)明密度梯度的碳/碳復(fù)合隔熱材料做硅單晶熱場底板取代傳統(tǒng)熱場底板 后節(jié)約能耗30%。測試方法由熱流法檢測得到各種高溫條件下的的熱傳遞系數(shù)(500°C -2000°C )。熱傳遞系數(shù)計(jì)算公式為
「 π ι,口，， , >·,、 q(W/m2)xd (m)
0047 A(W/m/K) = ^-~-~)-
Γ1(Κ)-Τ2(Κ)其中λ表示熱傳遞率，q代表熱流量，由熱流計(jì)測得，d為樣品的厚度。Tl為熱層 溫度，由光學(xué)高溫計(jì)測得；T2為冷層溫度，由熱流計(jì)及熱電偶測得。


圖I是碳/碳復(fù)合密度梯度結(jié)構(gòu)示意圖圖2是總工藝流程圖。符號說明附圖2中1-改性線性酚醛清漆樹脂碳和聚丙烯腈基碳纖維隔熱氈復(fù)合組成的正面致密碳
/碳復(fù)合層。2-30微米聚酯碳/碳復(fù)合層。3-可溶性熱固性酚醛樹脂碳和聚丙烯腈基碳纖維隔熱氈復(fù)合組成的內(nèi)部碳/碳
復(fù)合心層。4-30微米聚酯碳/碳復(fù)合層。5-改性線性酚醛清漆樹脂碳和聚丙烯腈基碳纖維隔熱氈復(fù)合組成的背面致密碳
/碳復(fù)合層。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但本發(fā)明不僅限于下列實(shí)施例。實(shí)施例1(1)裁剪將厚度為12毫米，門幅為1. 5米，克重為598克/米2，拉伸強(qiáng)度為20N/2厘米，長度20米的一卷纖維配向各向異性(X-Y平面與Z向纖維份數(shù)比為50 1-250 1) 耐高溫碳纖維隔熱氈裁剪成11片1500X1420X12mm的長方體作坯體材料。(2)配膠將固含量60%的PL_4246(群榮化工)型可溶性熱固性酚醛樹脂用99% 分析純的酒精配成固含量40%的浸漬劑，配好后倒入攪拌桶中進(jìn)行均勻攪拌，以備浸漬之用。(3)浸漬把(1)中裁剪好的坯體材料取出2片其余的坯體材料用(2)中配好的 浸漬劑進(jìn)行浸漬，坯體材料與浸漬劑重量之比為1 1.3。并均勻浸漬在9片坯體材料上。(4)裝模在模具中貼好離型紙，再把(3)中浸漬好的9片坯體材料整齊的裝入模 具中，在裝模過程中在上、下表面各鋪設(shè)20微米孔徑陣列不飽和聚酯模板2片，其厚度為30 微米。在2片20微米孔徑陣列不飽和聚酯模板上、下面再各放1片從(1)中取出的2片坯 體材料，然后對20微米孔徑陣列不飽和聚酯模板上、下面的2片坯體材料浸漬改性線性酚 醛清漆樹脂。坯體材料與浸漬劑重量之比為1 1.35。所述的改性線性酚醛清漆樹脂是硅 改性F01-1型線性酚醛清漆樹脂，固含量為57-70%。所述的噴浸改性線性酚醛清漆樹脂的 浸液是用99%分析純的酒精配成固含量45 50%的液體浸漬劑。(5)壓制固化把(4)中裝好坯體材料的模具放到16T型壓機(jī)中進(jìn)行一次性成型 壓制，壓力為0.625Kg/cm2，壓制成厚度為53mm。同時(shí)升溫固化，固化工藝以每小時(shí)升溫 50°C從常溫升到175°C，然后冷卻到50°C從壓機(jī)中取出，得到1500X1420X53mm的固化半成品。(6)液相沉碳把1500X1420X53mm的固化半成品裝在真空爐中在500°C下進(jìn)行液 相碳化沉碳處理。液相沉碳工藝在10_8000Pa壓力下，以每小時(shí)升溫75°C到400°C，然后每小時(shí)升 溫25 °C到500 0C，500 °C保溫2小時(shí)。。(7)高溫?zé)Y(jié)對500°C液相沉碳后的產(chǎn)品在同一真空爐中接著提高溫度在高 溫下繼續(xù)進(jìn)行高溫石墨化及凈化處理，最終處理溫度為2400°C，制成致密表面層厚度為 2. 5mm規(guī)格為1500X1420X50mm的碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱材料。高溫?zé)Y(jié)工藝從500°C每小時(shí)升溫25°C到600°C，每小時(shí)升溫30°C到750°C，在 750°C恒溫2小時(shí)，然后每小時(shí)升溫40°C到950°C，每小時(shí)升溫50°C到1200°C，每小時(shí)升溫 55°C到1500°C，每小時(shí)升溫60°C到1800°C，每小時(shí)升溫70°C到2000°C，每小時(shí)升溫75°C到 2200°C，每小時(shí)升溫80°C到2400°C，2400°C保溫1小時(shí)后停止升溫，自然降溫到室溫后出爐。制成金屬雜質(zhì)含量在200ppm以內(nèi)，表面層厚度為2. 5mm規(guī)格為1500X1420X50mm
的碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱材料。其表層體密度為0. 56g/cm3。內(nèi)部厚層體密度為0. 16g/cm3。本發(fā)明的碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱材料減壓下的平均熱傳遞系數(shù)(50mm厚度)如 表1表1 本發(fā)明的碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱材料力學(xué)性能1)用力方向垂直于面方向彎曲強(qiáng)度1. 86MPa，5%時(shí)彎曲強(qiáng)度為0. 40MPa2)用力方向平行于面方向彎曲強(qiáng)度3. 52MPa，5%時(shí)彎曲強(qiáng)度為0. 73MPa實(shí)施例2(1)裁剪將厚度為10毫米，門幅為1. 5米，克重為510克/米2，拉伸強(qiáng)度為18N/2 厘米，長度20米的一卷纖維配向各向異性(X-Y平面與Z向纖維份數(shù)比為50 1-250 1) 耐高溫碳纖維隔熱氈再裁剪出13片1500X1420X12mm的長方體作坯體材料。(2)配膠將固含量60%的PL_4246(群榮化工)型可溶性熱固性酚醛樹脂用99% 分析純的酒精配成固含量40%的浸漬劑，配好后倒入攪拌桶中進(jìn)行均勻攪拌，以備浸漬之 用。(3)浸漬把⑴中裁剪好的坯體材料取出2片其余的坯體材料用(2)中配好的浸 漬劑進(jìn)行浸漬，坯體材料與浸漬劑重量之比為1 1.25。并均勻浸漬在11片坯體材料上。(4)裝模在模具中貼好離型紙，再把(3)中浸漬好的11片坯體材料整齊的裝入 模具中，在裝模過程中在上、下表面各鋪設(shè)20微米孔徑陣列不飽和聚酯模板2片，其厚度為 30微米。在2片20微米孔徑陣列不飽和聚酯模板上、下面再各放1片從(1)中取出的2片 坯體材料，然后對20微米孔徑陣列不飽和聚酯模板上、下面的2片坯體材料浸漬改性線性 酚醛清漆樹脂。坯體材料與浸漬劑重量之比為1 1.35變。所述的改性線性酚醛清漆樹 脂是硅改性F01-1型線性酚醛清漆樹脂，固含量為57-70%。所述的噴浸改性線性酚醛清漆 樹脂的浸液是用99%分析純的酒精配成固含量45 50%的液體浸漬劑。(5)壓制固化把(4)中裝好坯體材料的模具放到16T型壓機(jī)中進(jìn)行一次性成型 壓制，壓力為0.625Kg/cm2，壓制成厚度為53mm。同時(shí)升溫固化，固化工藝以每小時(shí)升溫
950°C從常溫升到175°C，然后冷卻到50°C從壓機(jī)中取出，得到1500X1420X53mm的固化半成
品 O(6)液相沉碳把1500X1420X53mm的固化半成品裝在真空爐中在500°C下進(jìn)行液 相碳化沉碳處理。液相沉碳工藝在10_8000Pa壓力下，以每小時(shí)升溫75°C到400°C，然后每小時(shí)升 溫25°C到500°C，500°C保溫2小時(shí)。(7)高溫?zé)Y(jié)對500°C液相沉碳后的產(chǎn)品在高溫下進(jìn)行凈化處理，最終處理溫度 為2400°C，制成金屬雜質(zhì)含量在200ppm以內(nèi)的碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱成型材料。表面 層厚度為2. 5mm。規(guī)格為1500X1420X50mm其表層體密度為0. 56g/cm3。內(nèi)部厚層體密度為 0. 16g/cm3。高溫?zé)Y(jié)工藝從500°C每小時(shí)升溫25°C到600°C，每小時(shí)升溫30°C到750°C，在 750°C恒溫2小時(shí)，然后每小時(shí)升溫40°C到950°C，每小時(shí)升溫50°C到1200°C，每小時(shí)升溫 55 0C到1500 V，每小時(shí)升溫60 V到1800 V，每小時(shí)升溫70 V到2000 V，每小時(shí)升溫75 °C到 2200°C，每小時(shí)升溫80°C到2400°C，240(TC保溫1小時(shí)后停止升溫，自然降溫到室溫后出爐。本發(fā)明的碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱材料力學(xué)性能1)用力方向垂直于面方向彎曲強(qiáng)度1. 86MPa，5%時(shí)彎曲強(qiáng)度為0. 40MPa2)用力方向平行于面方向彎曲強(qiáng)度3. 52MPa，5%時(shí)彎曲強(qiáng)度為0. 73MPa實(shí)施例3(1)裁剪將厚度為12毫米，門幅為1. 5米，克重為598克/米2，拉伸強(qiáng)度為20N/2 厘米，長度20米的一卷纖維配向各向異性(X-Y平面與Z向纖維份數(shù)比為50 1-250 1) 耐高溫碳纖維隔熱氈裁剪成13片1500X1420X12mm的長方體作坯體材料。(2)配膠將固含量60%的PL_4246(群榮化工)型可溶性熱固性酚醛樹脂用99% 分析純的酒精配成固含量40%的浸漬劑，配好后倒入攪拌桶中進(jìn)行均勻攪拌，以備浸漬之 用。(3)浸漬把(1)中裁剪好的坯體材料取出2片其余的坯體材料用(2)中配好的浸 漬劑進(jìn)行浸漬，坯體材料與浸漬劑重量之比為1 1.3。并均勻浸漬在11片坯體材料上。(4)裝模在模具中貼好離型紙，再把(3)中浸漬好的11片坯體材料整齊的裝入 模具中，在裝模過程中在上、下表面各鋪設(shè)20微米孔徑陣列不飽和聚酯模板2片，其厚度為 30微米。在2片20微米孔徑陣列不飽和聚酯模板上、下面再各放1片從(1)中取出的2片 坯體材料，然后對20微米孔徑陣列不飽和聚酯模板上、下面的2片坯體材料浸漬改性線性 酚醛清漆樹脂。坯體材料與浸漬劑重量之比為1 1.35。所述的改性線性酚醛清漆樹脂是 硅改性F01-1型線性酚醛清漆樹脂，固含量為57-70%。所述的噴浸改性線性酚醛清漆樹脂 的浸液是用99%分析純的酒精配成固含量45 50%的液體浸漬劑。(5)壓制固化把(4)中裝好坯體材料的模具放到16T型壓機(jī)中進(jìn)行一次性成型 壓制，壓力為0.625Kg/cm2，壓制成厚度為53mm。同時(shí)升溫固化，固化工藝以每小時(shí)升溫 50°C從常溫升到175°C，然后冷卻到50°C以下，從壓機(jī)中取出取出，得到1500X1420X53mm的固化半成品。(6)液相沉碳把1500X1420X53mm的固化半成品裝在真空爐中在500°C下進(jìn)行液相碳化沉碳處理。液相沉碳工藝在10-8000Pa壓力下，以每小時(shí)升溫75°C到400°C，然后每小時(shí)升 溫25°C到500°C，500°C保溫2小時(shí)。(7)高溫?zé)Y(jié)對500°C液相沉碳后的產(chǎn)品在同一真空爐中接著提高溫度在高 溫下繼續(xù)進(jìn)行高溫石墨化及凈化處理，最終處理溫度為2400°C，制成致密表面層厚度為 2. 5mm規(guī)格為1500X1420X50mm的碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱材料，其表層體密度為0. 55g/ cm3。內(nèi)部厚層體密度為0. 18g/cm3，金屬雜質(zhì)含量在200ppm以內(nèi)。高溫?zé)Y(jié)工藝從500°C每小時(shí)升溫25°C到600°C，每小時(shí)升溫30°C到750°C，在 750°C恒溫2小時(shí)，然后每小時(shí)升溫40°C到950°C，每小時(shí)升溫50°C到1200°C，每小時(shí)升溫 55°C到1500°C，每小時(shí)升溫60°C到1800°C，每小時(shí)升溫70°C到2000°C，每小時(shí)升溫75°C到 2200°C，每小時(shí)升溫80°C到2400°C，2400°C保溫1小時(shí)后停止升溫，自然降溫到室溫后出爐。本發(fā)明的碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱材料力學(xué)性能1)用力方向垂直于面方向彎曲強(qiáng)度2.36MPa，5%時(shí)彎曲強(qiáng)度為0.50MPa2)用力方向平行于面方向彎曲強(qiáng)度4. 12MPa，5%時(shí)彎曲強(qiáng)度為0. SlMPa實(shí)施例4(1)裁剪將厚度為12毫米，門幅為1. 5米，克重為598克/米2，拉伸強(qiáng)度為20N/2 厘米，長度20米的一卷纖維配向各向異性(X-Y平面與Z向纖維份數(shù)比為50 1-250 1) 耐高溫碳纖維隔熱氈裁剪成11片1500X1420X12mm的長方體作坯體材料。(2)配膠將固含量60%的PL_4246(群榮化工)型可溶性熱固性酚醛樹脂用99% 分析純的酒精配成固含量40%的浸漬劑，配好后倒入攪拌桶中進(jìn)行均勻攪拌，以備浸漬之 用。(3)浸漬把(1)中裁剪好的坯體材料取出2片其余的坯體材料用(2)中配好的 浸漬劑進(jìn)行浸漬，坯體材料與浸漬劑重量之比為1 1.1。并均勻浸漬在9片坯體材料上。(4)裝模在模具中貼好離型紙，再把(3)中浸漬好的9片坯體材料整齊的裝入模 具中，在裝模過程中在上、下表面各鋪設(shè)20微米孔徑陣列不飽和聚酯模板2片，其厚度為30 微米。在2片20微米孔徑陣列不飽和聚酯模板上、下面再各放1片從(1)中取出的2片坯 體材料，然后對20微米孔徑陣列不飽和聚酯模板上、下面的2片坯體材料浸漬改性線性酚 醛清漆樹脂。坯體材料與浸漬劑重量之比為1 1.35。(5)壓制固化把⑷中裝好坯體材料的模具放到16T型壓機(jī)中進(jìn)行一次性成型 壓制，壓力為0.625Kg/cm2，壓制成厚度為53mm。同時(shí)升溫固化，固化工藝以每小時(shí)升溫 50°C從常溫升到175°C，然后冷卻到50°C以下，從壓機(jī)中取出。發(fā)現(xiàn)固化產(chǎn)品剛度不夠嚴(yán)重 時(shí)出現(xiàn)分層，造成產(chǎn)品報(bào)廢。
權(quán)利要求
一種碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱成型材料，其特征是由下述依次五層物質(zhì)組成改性線性酚醛清漆樹脂和聚丙烯腈基碳纖維隔熱氈復(fù)合組成的正面致密碳/碳復(fù)合層、聚酯碳/碳復(fù)合層、可溶性熱固性酚醛樹脂和聚丙烯腈基碳纖維隔熱氈復(fù)合組成的內(nèi)部碳/碳復(fù)合心層、聚酯碳/碳復(fù)合層、改性線性酚醛清漆樹脂和聚丙烯腈基碳纖維隔熱氈復(fù)合組成的背面致密碳/碳復(fù)合層；所述的聚丙烯腈基碳纖維隔熱氈是X-Y平面與Z向纖維份數(shù)比為50∶1-250∶1的耐高溫碳纖維隔熱氈。
2.如權(quán)利要求1所述的一種碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱成型材料，其特征所述的耐高溫 碳纖維隔熱氈的基材是以短切長度50-150毫米的聚丙烯腈基碳纖維制備成為厚度為8-12 毫米，克重為500-700克/米2，拉伸強(qiáng)度12-50牛/2厘米的聚丙烯腈基碳纖維隔熱氈。
3.如權(quán)利要求1所述的一種碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱成型材料，其特征所述的改性線 性酚醛清漆樹脂碳和聚丙烯腈基碳纖維隔熱氈復(fù)合組成的正面致密碳/碳復(fù)合層、聚酯碳 /碳復(fù)合層、可溶性熱固性酚醛樹脂碳和聚丙烯腈基碳纖維隔熱氈復(fù)合組成的內(nèi)部碳/碳 復(fù)合心層、聚酯碳/碳復(fù)合層、改性線性酚醛清漆樹脂碳和聚丙烯腈基碳纖維隔熱氈復(fù)合 組成的背面致密碳/碳復(fù)合層的厚度分別為1-3毫米、10-40微米、5-200毫米、10-40微米 和1-3毫米。
4.一種如權(quán)利要求1所述的一種碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱成型材料的制備方法，其特 征通過如下步驟(1)將權(quán)利要求1所述的聚丙烯腈基碳纖維隔熱氈裁剪成為坯體材料；(2)浸漬或者噴浸在常溫下，將含有30-45%的固含量的可溶性熱固性酚醛樹脂的酒 精浸漬劑進(jìn)行浸漬或者均勻噴浸在(1)步驟的坯體材料，所述的坯體材料與浸漬劑重量之 比為 1 1. 15 1. 40 ；(3)裝模將步驟(2)獲得的浸漬好的1 30層坯體材料平面疊加整齊的裝入模具 中，在上、下表面分別鋪設(shè)1片厚度為30微米的20微米孔徑陣列不飽和聚酯模板，在20 微米孔徑陣列不飽和聚酯模板上、下面再各放1片坯體材料(1)經(jīng)過噴浸改性線性酚醛 清漆樹脂的坯體材料，噴浸量為坯體材料(1)與液相改性線性酚醛清漆樹脂重量之比為 1 1.2-1 1.5。(4)壓制固化將步驟(4)裝好坯體材料的模具在壓機(jī)中進(jìn)行一次性成型壓制壓力 0. 625Kg/cm2和室溫到175°C下固化3 6小時(shí)；所述的改性線性酚醛清漆樹脂是硅改性 F01-1型線性酚醛清漆樹脂，固含量為57-70%。所述的噴浸改性線性酚醛清漆樹脂的浸液 是用99%分析純的酒精配成固含量45 50%的液體浸漬劑。(5)液相沉碳步驟(4)固化好的產(chǎn)品在高溫?zé)Y(jié)爐中在10-8000Pa壓力下，以每小時(shí) 升溫75°C到400°C，然后每小時(shí)升溫25°C到500°C，500°C保溫2小時(shí)。(6)高溫?zé)Y(jié)對步驟(5)的液相沉碳后的產(chǎn)品，在10-8000Pa壓力下，每小時(shí)25 100°C的升溫速率達(dá)到2400°C，冷卻獲得碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱成型材料。
5.如權(quán)利要求1所述的一種碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱成型材料的制備方法，其特征其 中步驟4)所述的壓制固化溫度是以每小時(shí)升溫50°C，從常溫升到175°C，然后冷卻到50°C 以下取出。
6.如權(quán)利要求4所述的一種碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱成型材料的制備方法，其特征 其中步驟(6)所述的高溫?zé)Y(jié)的升溫速率是從從500°C每小時(shí)升溫25°C到600°C，每小時(shí)升溫30°C到750°C，在750°C恒溫2小時(shí)，然后每小時(shí)升溫40°C到950°C，每小時(shí)升溫50°C 到1200 V，每小時(shí)升溫55 V到1500 V，每小時(shí)升溫60 V到1800 V，每小時(shí)升溫70 V到 2000°C，每小時(shí)升溫75°C到2200°C，每小時(shí)升溫80°C到2400°C，2400°C保溫1小時(shí)后停止 升溫，自然降溫到室溫后出爐。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳/碳復(fù)合密度梯度隔熱成型材料，是由下述依次五層物質(zhì)組成改性線性酚醛清漆樹脂碳和聚丙烯腈基碳纖維隔熱氈復(fù)合組成的正面致密碳/碳復(fù)合層、聚酯碳/碳復(fù)合層、可溶性熱固性酚醛樹脂碳和聚丙烯腈基碳纖維隔熱氈復(fù)合組成的內(nèi)部碳/碳復(fù)合心層、聚酯碳/碳復(fù)合層和改性線性酚醛清漆樹脂碳和聚丙烯腈基碳纖維隔熱氈復(fù)合組成的背面致密碳/碳復(fù)合層；所述的聚丙烯腈基碳纖維隔熱氈中X-Y平面與Z向纖維份數(shù)比為50∶1-250∶1的耐高溫碳纖維隔熱氈。
文檔編號C04B35/622GK101880174SQ201010187938
公開日2010年11月10日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者周振國, 周文蔚, 魏萬文 申請人:上海麥戈士科貿(mào)有限公司