一種提高炭/炭復(fù)合材料強(qiáng)度的方法
【專利說明】
一、技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于炭/炭復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種改善炭纖維增強(qiáng)炭基復(fù)合材料中缺陷的方法。
二、【背景技術(shù)】
[0002]炭纖維是含碳量在90%以上接近純碳的纖維材料。炭/炭復(fù)合材料是一種以炭纖維作為結(jié)構(gòu)材料來增強(qiáng)炭基體的復(fù)合材料。由于炭/炭具有高比強(qiáng)度、高比模量、良好的導(dǎo)熱性能和優(yōu)越的摩擦特性，并且在高溫環(huán)境下能夠保持較高的強(qiáng)度和模量，因此炭/炭復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域得到了較多應(yīng)用，且主要用于摩擦材料。隨著炭/炭復(fù)合材料研制技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用已涉及汽車、體育、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域，同時(shí)對(duì)其力學(xué)性能也提出了更高的要求。納米硅酸鹽粘土以其納米尺度的特性和低廉的價(jià)格被廣泛的應(yīng)用。蒙脫石為代表的層狀硅酸鹽粘土已成功應(yīng)用于多種類型復(fù)合材料中，使得材料的力學(xué)性能得到了明顯的提尚。但將冡脫石等納米粘土引入炭/炭復(fù)合材料中，在提尚材料的力學(xué)性能的同時(shí)，也會(huì)增加炭基體中的界面相容問題，使得材料在破壞過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，一定程度上又降低了材料的力學(xué)性能。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種提高炭/炭復(fù)合材料強(qiáng)度的方法，旨在解決將納米粘土引入炭/炭復(fù)合材料中所帶來的界面相容性問題。
[0004]本發(fā)明解決技術(shù)問題，采用如下技術(shù)方案:
[0005]本發(fā)明提高炭/炭復(fù)合材料強(qiáng)度的方法，其特點(diǎn)在于:是在炭纖維和炭基體之間添加粘土 /炭過渡層并一步熱壓制備炭/炭-陶瓷/炭復(fù)合材料，包括以下步驟:
[0006](I)水熱制備粘土 /炭納米復(fù)合材料:
[0007]將硅酸鹽粘土與生物質(zhì)碳源按質(zhì)量比1:0.5-2均勻分散于水中，得到混合料；再向所述混合料中加入催化劑六水合硫酸亞鐵銨，并攪拌混合均勻，升溫至220°C水熱反應(yīng)24h，自然冷卻后用去離子水和乙醇交替洗滌至pH = 7，最后干燥、研磨，獲得粘土 /炭納米復(fù)合材料；
[0008](2)采用浸漬工藝制備炭/炭-粘土 /炭復(fù)合材料預(yù)制體:
[0009]以步驟(I)所制備的粘土 /炭納米復(fù)合材料作為補(bǔ)強(qiáng)劑，將瀝青與所述粘土 /炭納米復(fù)合材料按質(zhì)量比4:1作為炭基體前驅(qū)體在質(zhì)量濃度為0.05%的聚環(huán)氧乙烷溶液中超聲分散、混合均勻，獲得炭基體前驅(qū)體溶液；
[0010]按照炭纖維與所述炭基體前驅(qū)體質(zhì)量比為1:2，將炭纖維置于所述炭基體前驅(qū)體溶液中浸漬30-60min，然后將浸漬后炭纖維取出并平鋪在聚四氟乙烯薄膜上，自然晾干，剪裁成型，即得炭/炭-粘土/炭復(fù)合材料預(yù)制體；
[0011](3)燒結(jié)預(yù)制體，獲得炭/炭-陶瓷/炭復(fù)合材料:
[0012]將所述炭/炭-粘土 /炭復(fù)合材料預(yù)制體置于真空熱壓燒結(jié)爐中熱壓燒結(jié)，即得炭/炭-陶瓷/炭復(fù)合材料。
[0013]優(yōu)選的，步驟(I)中所述硅酸鹽粘土為纖維狀硅酸鹽粘土或管狀硅酸鹽粘土，更優(yōu)選為凹凸棒石粘土、埃洛石粘土或海泡石粘土。
[0014]優(yōu)選的，所述生物質(zhì)碳源選自纖維素或葡萄糖。
[0015]優(yōu)選的，步驟(3)中所述熱壓燒結(jié)的步驟為:將炭/炭-粘土 /炭復(fù)合材料預(yù)制體置于真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，抽真空，然后無壓下升溫至300?360°C，此過程中當(dāng)溫度達(dá)到瀝青軟化點(diǎn)220°C時(shí)，通氬氣至爐內(nèi)氣壓為0.02MPa ;當(dāng)溫度達(dá)到300_360°C后保溫lOmin，然后加壓至16-25MPa，隨后升溫至900-1200°C，保溫30min ;最后撤去壓力并停止加熱，自然冷卻至室溫，脫模、取樣，即得炭/炭-陶瓷/炭復(fù)合材料。
[0016]優(yōu)選的，步驟⑴所述混合料中粘土質(zhì)量與水的體積的比為1:15?30g/mL ;所述催化劑的添加量以Fe2+計(jì)為粘土與生物質(zhì)碳源總質(zhì)量的5-7% ;步驟(2)中瀝青質(zhì)量與所述聚環(huán)氧乙烷溶液的體積的比為1:12-18g/mL。
[0017]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0018]本發(fā)明利用水熱法，將纖維素碳化包裹在粘土表面，形成粘土 /炭納米復(fù)合材料，再將此復(fù)合材料引入炭/炭復(fù)合材料中，以此達(dá)到在補(bǔ)強(qiáng)劑粘土和炭基體之間添加一炭過渡層的目的，從而改善了炭基體內(nèi)的界面結(jié)合；粘土 /炭作為添加劑，在改善基體缺陷的同時(shí)避免了缺陷的二次形成；相對(duì)改性粘土做添加劑具有斷裂強(qiáng)度高，傳熱性能好等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)粘土 /炭添加劑相比于碳納米管、碳化錯(cuò)等添加劑有著制備工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)；粘土 /炭對(duì)于基體孔洞、裂痕等缺陷的改善全面細(xì)致，形成了真正意義上裂痕等的無縫焊接；炭/炭-陶瓷/炭采用一步熱壓工藝，方法快速，工藝簡(jiǎn)單易控制。
四、【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合實(shí)施例作對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0020]對(duì)比例I
[0021 ] 1、稱取炭基體前驅(qū)體瀝青4g，研磨至粒徑為30 μ m，配置0.05wt %的聚環(huán)氧乙烷(PEO)溶液，將研磨后瀝青加入50mL PEO溶液中磁力攪拌2h，獲得炭基體前驅(qū)體溶液；稱取炭纖維2g，用丙酮超聲振蕩清洗lOmin，隨后置于烘箱中烘干。
[0022]2、將烘干后的炭纖維置于攪拌均勻的炭基體前驅(qū)體溶液中浸漬lh，待浸漬完全后小心取出浸漬后炭纖維平鋪于聚四氟乙烯薄膜上，平鋪成36cmX4cm的矩形面，并將未浸漬完全的瀝青底料均勻涂抹于上述矩形面上，將矩形面裁剪成?4cm的圓形片9個(gè)，隨后將9個(gè)炭纖維圓片堆疊成圓柱體，室溫下晾干。
[0023]3、將晾干后的圓柱形預(yù)制體放入?4cm的石墨模具中，模具放入真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，關(guān)好爐門，抽真空。預(yù)制體40min內(nèi)從室溫升到300°C，該過程不施加壓力。在溫度達(dá)到瀝青軟化點(diǎn)220 °C時(shí)，檢查氣密性良好的情況下，通入氬氣，爐內(nèi)氣體壓強(qiáng)為0.02MPa。300°C保溫lOmin，開始緩慢施加2MPa壓力，隨后壓力逐漸緩慢的增至20MPa。溫度Ih內(nèi)至8000C，Ih內(nèi)再升至1000°C，1000°C保溫30min。保溫結(jié)束后撤壓，并停止加熱，冷卻至室溫，脫模、取樣，制得炭/炭復(fù)合材料樣品。經(jīng)測(cè)試，本實(shí)施例所得樣品的抗彎強(qiáng)度為181MPa。
[0024]對(duì)比例2
[0025]1、稱取炭基體前驅(qū)體4g，其中瀝青與粘土的質(zhì)量比為4:1，即瀝青3.2g，凹凸棒石0.Sg。瀝青研磨至粒徑為30 μ m，配置0.05wt%的聚環(huán)氧乙烷溶液，將研磨后瀝青和粘土加入50mLPE0分散劑溶液中磁力攪拌2h，獲得炭基體前驅(qū)體溶液；
[0026]稱取炭纖維2g，用丙酮超聲振蕩清洗lOmin，隨后置于烘箱中烘干。
[0027]2、將烘干后的炭纖維置于攪拌均勻的上述溶液中浸漬lh，待浸漬完全后小心取出炭纖維平鋪于聚四氟乙烯薄膜上，平鋪成36cmX4cm的矩形面，并將未浸漬完全的炭基體前驅(qū)體均勻涂抹于上述矩形面上將矩形面裁剪成?4cm的圓形片9個(gè)，隨后將9個(gè)碳纖維圓片堆疊成圓柱體，室溫下晾干。
[0028]3、將晾干后的圓柱形預(yù)制體放入?4cm的石墨模具中，模具放入真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，關(guān)好爐門，抽真空。預(yù)制體40min內(nèi)從室溫升到300°C，該過程不施加壓力。在溫度達(dá)到瀝青軟化點(diǎn)220 °C時(shí)，檢查氣密性良好的情況下，通入氬氣，爐內(nèi)氣體壓強(qiáng)為0.02MPa。300°C保溫lOmin，開始緩慢施加2MPa壓力。隨后將壓力緩慢調(diào)節(jié)至20MPa。溫度Ih內(nèi)升至800°C，Ih內(nèi)再升至1000°C，1000°C保溫30min。保溫結(jié)束后撤壓，并停止加熱，冷卻至室溫，脫模、取樣，制得粘土改性的炭/炭復(fù)合材料樣品。經(jīng)測(cè)試，本實(shí)施例所得樣品的抗彎強(qiáng)度為 226MPa。
[0029]實(shí)施例1
[0030]1、稱取凹凸棒石4g、研磨后微晶纖維素2g加入到80mL去離子水中磁力攪拌混合30min，隨后稱取六水合硫酸亞鐵銨2.968g加入溶液中攪拌約5min后將溶液倒入10ml水熱反應(yīng)釜中220°C水熱反應(yīng)24h，水熱反應(yīng)后利用去離子水和乙醇交替洗樣至pH = 7，隨后烘干、研磨，獲得凹凸棒石/炭納米復(fù)合材料；
[0031]2、稱取炭基體前驅(qū)體4g，其中瀝青3.2g，凹凸棒石/炭納米復(fù)合材料0.8g。瀝青研磨至粒徑為30 μ m，配置0.05wt%的聚環(huán)氧乙烷溶液，將凹凸棒石/炭納米復(fù)合材料和研磨后瀝青加入50mL PEO分散劑溶液中磁力攪拌2h。
[0032]稱取碳纖維2g，用丙酮超聲振蕩清洗lOmin，隨后置于烘箱中烘干。
[0033]3、將烘干后的炭纖維置于攪拌均勻的上述溶液中浸漬lh，待浸漬完全后小心取出碳纖維平鋪于聚四氟乙烯薄膜上，平鋪成36cmX4cm的矩形面，并將未浸漬完全的炭基體前驅(qū)體均勻涂抹于上述矩形面上將矩形面裁剪成?4cm的圓形片9個(gè)，隨后將9個(gè)炭纖維圓片堆疊成圓柱體，室溫下晾干。
[0034]4、將晾干后的圓柱形預(yù)制體放入?4cm的石墨模具中，模具放入真空熱壓燒結(jié)爐內(nèi)，關(guān)好爐門，抽真空。預(yù)制體40min內(nèi)從室溫升到300°C，該過程不施加壓力。在溫度達(dá)到瀝青軟化點(diǎn)220 °C時(shí)，檢查氣密性良好的情況下，通入氬氣，爐內(nèi)氣體壓強(qiáng)為0.02MPa。300°C保溫lOmin，開始緩慢施加2MPa壓力，隨后壓力逐漸緩慢的增至20MPa。溫度Ih內(nèi)至8000C，Ih內(nèi)再升至1000°C，1000°C保溫30min。保溫結(jié)束后撤壓，并停止加熱，冷卻至室溫，脫模、取樣，制得粘土 /炭改性的炭/炭-陶瓷/炭復(fù)合材料樣品。經(jīng)測(cè)試，本實(shí)施例所得樣品的抗彎強(qiáng)度為263MPa。
[0035]與對(duì)比例I和對(duì)比例2相比較，可以看出對(duì)于沒有添加補(bǔ)強(qiáng)劑的樣品(對(duì)比例1)，本實(shí)施例所得樣品的彎曲強(qiáng)度提高45%，相對(duì)于以天然粘土作為補(bǔ)強(qiáng)劑的樣品(對(duì)比例
2)，本實(shí)施例所得樣品的抗彎強(qiáng)度提升16%左右。
[0036]實(shí)施例2
[0037]1、稱取凹凸棒石3g、研磨后微晶纖維素3g加入到80ml去離子水中磁力攪拌混合30min，隨后稱取六水合硫酸亞鐵銨2.968g加入溶液中攪拌約5min后將溶液倒入10mL水熱反應(yīng)釜中220°C水熱反應(yīng)24h。水熱反應(yīng)后利用去離子水和乙醇交替洗樣至pH = 7，隨后烘干、研磨，獲得凹凸棒石/炭復(fù)合材料；
[0038]2、稱取炭基體前驅(qū)體4g，其中瀝青與粘土的質(zhì)量比為4:1，即瀝青3.2g，凹凸棒石/炭復(fù)合材料0.Sg。瀝青研磨至粒徑為30 μ m，配置0.05wt%的聚環(huán)氧乙烷溶液，將凹凸棒石/炭復(fù)合材料和研磨后瀝青加入50mL PEO分散劑溶液中磁力攪拌2h。
[0039]稱取碳纖維2g，用丙酮超聲振蕩清洗lOmin，隨后置于烘箱中烘干。
[0040]3、