一種碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明一種碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體，按照重量比計(jì)算，由40?70%的短碳纖維和余量的納米碳膠組成，短碳纖維長度為6?12mm。本發(fā)明還提供了上述預(yù)制體的制備方法，把短碳纖維分散在聚氧化乙烯和羥丙基甲基纖維素醚分散水溶液中；用靜置法去除分散液；加熱干燥得到碳纖維預(yù)制體；真空浸漬法把苯酚?間甲酚?糠醛?乙酰氯的正丙醇溶液浸漬到碳纖維預(yù)制體中，加熱原位聚合形成酚醛基納米膠，干燥揮發(fā)正丙醇得到酚醛樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體；最后碳化得到納米碳膠增強(qiáng)短碳纖維預(yù)制體。本發(fā)明的制備方法不需昂貴的長碳纖維、也不需復(fù)雜的編織成型工藝、操作方便、周期短、成本低、性能優(yōu)異，易于工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說明】
一種碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于材料學(xué)領(lǐng)域，涉及一種碳材料，具體來說是一種碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體 及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳/碳復(fù)合材料的首次出現(xiàn)是于1958年在chance VOguht航空公司實(shí)驗(yàn)室偶然得 到的。由于這種材料具有重量輕、模量高、比強(qiáng)度大、良好的機(jī)械性能、耐熱性、耐腐蝕性、磨 擦減振特性及熱、電傳導(dǎo)特性等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、核能、醫(yī)學(xué)和民用等領(lǐng)域，具有 良好的應(yīng)用前景。
[0003] 預(yù)制體作為碳/碳復(fù)合材料制備的前提和基礎(chǔ)，不但會(huì)影響材料的增密速度和過 程，也會(huì)影響最終材料的各種性能。針對(duì)材料在生產(chǎn)使用時(shí)特定的需求，可以設(shè)計(jì)預(yù)制體的 尺寸、密度、結(jié)構(gòu)和孔隙大小分布等各種性能。由于纖維的交織和取向特點(diǎn)決定了材料的最 終性能，因此預(yù)制體的成型工藝格外重要。
[0004] 碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體可以劃分為機(jī)織結(jié)構(gòu)預(yù)制體、針織結(jié)構(gòu)預(yù)制體、非織造結(jié)構(gòu) 預(yù)制體或編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體等，各種結(jié)構(gòu)的預(yù)制體能夠滿足實(shí)際應(yīng)用中不同的如厚度、結(jié)構(gòu)、 性能方面的需求。機(jī)織結(jié)構(gòu)預(yù)制體由于經(jīng)煒紗線交錯(cuò)，排列緊密，結(jié)合強(qiáng)度大，不易被破壞， 在在經(jīng)煒兩個(gè)方向上都有著良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，彈性很小，不易變形，在預(yù)制體的厚度方向 上則有很高的纖維含量;針織結(jié)構(gòu)預(yù)制體在各方向上都具有較大的伸縮性，彈性較大，拉伸 性能較好，適合生產(chǎn)和應(yīng)用中對(duì)拉伸性能要求較高的材料，如錐套、三通和帶法蘭的套管 等;編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體包括二維編織結(jié)構(gòu)預(yù)制體和三維編織預(yù)制體等，三維編織預(yù)制體在實(shí) 際生產(chǎn)中應(yīng)用較多，但編織時(shí)織物的幅寬、厚度和形狀等都要受到機(jī)器尺寸的限制，材料成 本較高，材料的密度不容易控制，編織工藝復(fù)雜;非織造結(jié)構(gòu)預(yù)制體的制備工藝周期最短， 碳纖維短纖或長絲之間不用織造，而是直接排列成需要的結(jié)構(gòu)和厚度，然后經(jīng)各種機(jī)械或 其他方法直接成型，成型之后可根據(jù)使用需求切割成多需大小和形狀，而不會(huì)影響預(yù)制體 的性能。由于上述這些優(yōu)點(diǎn)，非織造結(jié)構(gòu)預(yù)制體生產(chǎn)速度快，相對(duì)成本較低，在各領(lǐng)域中應(yīng) 用越來越廣泛。非織造結(jié)構(gòu)預(yù)制體的孔徑分布可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，抗壓縮強(qiáng)度高，拉伸性能好，結(jié) 構(gòu)可緊密可疏松，可創(chuàng)新性強(qiáng)。非織造結(jié)構(gòu)預(yù)制體的缺點(diǎn)是其制備的復(fù)合材料剪切性能不 如其他的有紗線交織的復(fù)合材料，受力時(shí)易出現(xiàn)分層。雖然需要制備較高性能的復(fù)合材料， 或者是性能可設(shè)計(jì)性的復(fù)合材料時(shí)，非織造結(jié)構(gòu)預(yù)制體并不是最好的選擇。但其制備速度 快和成本低的優(yōu)勢是壓倒性的，這也是非織造材料優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)預(yù)制體的最重要的特點(diǎn)。 也因此，越來越多的學(xué)者開始研究對(duì)這種預(yù)制體的改進(jìn)措施，如在制備過程中混入能增加 界面性能的填料等。采用的是碳纖維無規(guī)則排列成網(wǎng)，碳纖維排列疏松，纖維間孔隙較大， 這種結(jié)構(gòu)有利于反應(yīng)氣體的向內(nèi)疏松，保證熱解碳在材料內(nèi)部的沉積;則將材料每一層相 互聯(lián)結(jié)在一起，使材料層間剪切性能提高，不易剪切分層破壞。（Hongyu Wang ,Dongmei Zhu,Feng Wan,et al. Influence of the C/C preform density on tribological characteristics of C/C-SiC composites under different conditions[J]·Ceramics International,2014,40(10):16641-16646；Uwe Beier,Felipe Wolff-Fabris,Frank Fischer,et al.Mechanical performance of carbon fibre-reinforced composites based on preforms stitched with innovative low-melting temperature and matrix soluble thermoplastic yarns[J] .〇οπιρ〇8；??θ8,2008,39(9): 1572-1581;張潔·變密度預(yù) 制體C/C復(fù)合材料的制備及其性能研究[D]:[碩士學(xué)位論文].無錫:江南大學(xué)，2014)
[0005] 目前，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，碳/碳復(fù)合材料的預(yù)制體主要有無煒布疊層預(yù)制體、碳 纖維模壓預(yù)制體和三維編織預(yù)制體等。無煒布疊層預(yù)制體中纖維呈二維排列，垂直方向上 沒有纖維加固，因此層間剪切強(qiáng)度較弱，且垂直方向的熱導(dǎo)率差;碳纖維模壓預(yù)制體纖維排 列疏松，纖維體積分?jǐn)?shù)較小，材料成型之后受力易破壞，壓縮性能和彎曲性能尤為弱，材料 強(qiáng)度較低內(nèi)，不能滿足對(duì)強(qiáng)度有較高需求的復(fù)合材料;三維編織法制備長纖維多孔預(yù)制體 時(shí)，纏繞或編織過程可能會(huì)造成纖維的磨損或斷絲，引起預(yù)制體質(zhì)量的降低，三維編織預(yù)制 體的制備成本較高，預(yù)制體內(nèi)孔隙很大，不適于采用化學(xué)氣相滲透(CVI)法致密到較高密度 材料。（劉海平，田廣來，范尚武，等三明治"型預(yù)制體結(jié)構(gòu)對(duì)C/C剎車材料CVI工藝的影響 [J]·航空制造技術(shù)，2011，1(2) :143-147)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明提供了一種碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體的制備方 法，所述的這種碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體的制備方法要解決現(xiàn)有技術(shù)中制備碳/碳復(fù)合材料預(yù) 制體的方法編制過程復(fù)雜、成本高的技術(shù)問題。
[0007] 本發(fā)明提供了一種碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體的制備方法，按照重量比計(jì)算，由40-70%的短碳纖維和余量的納米碳膠組成，短碳纖維長度為6-12mm。
[0008] 本發(fā)明還提供了上述的一種碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體的制備方法，包括以下步驟：
[0009] (1)首先配制分散液，分散液中的分散劑為聚氧化乙烯和甲基羥丙基纖維素醚，聚 氧化乙烯和甲基羥丙基纖維素醚和蒸餾水的重量比為1:1:2000,然后把長度為6-12mm的短 碳纖維加入到分散液中，短碳纖維和分散液的重量比為0.5-1.5:400，把上述混合物在磁力 攪拌器中攪拌6-8h，把短碳纖維均勾分散在分散液中，攪拌轉(zhuǎn)速為600-1000轉(zhuǎn)/分鐘；
[0010] (2)把上述混合物傾倒入一個(gè)容器中，容器的幾何形狀根據(jù)預(yù)制體的形狀確定，靜 置，使短碳纖維沉降，把上層清液吸出；
[0011] (3)把上述容器放置在干燥箱中，在100~120°C下烘干，得到初步成型的短碳纖維 預(yù)制體；
[0012] ⑷配制苯酸-間甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液，在攪拌的狀態(tài)下，在正丙醇中， 依次加入間甲酚，苯酚，糠醛和乙酰氯，所述的間甲酚、苯酚、糠醛、乙酰氯和正丙醇的質(zhì)量 比為1:2.63:7.16:0.43:35.52;然后，把(3)所得含有短碳纖維預(yù)制體的容器抽真空至壓力 O.OIMPa，把所配制的正丙醇溶液通過導(dǎo)管吸入所述的容器中，其中配制的正丙醇溶液需浸 沒短碳纖維預(yù)制體，真空條件下浸漬3~9h;再把該容器在水浴鍋中加熱至70~90°C，進(jìn)行 原位聚合反應(yīng)，并在該溫度下保持2~5天;最后，打開所述的容器蓋子，在35~50°C下加熱 揮發(fā)正丙醇，得到酚醛樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體。
[0013] (5)把(4)所得酚醛樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體放置在碳化爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù) 下，加熱到800~950°C，并保持在該溫度下碳化1~4h，得到納米碳膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體。
[0014]進(jìn)一步的，所述步驟(2)中的短碳纖維沉降時(shí)間是0.5h。
[0015]進(jìn)一步的，所述步驟⑷中，真空浸漬壓力為O.OIMPa，浸漬時(shí)間為6h。
[0016]進(jìn)一步的，所述步驟(4)中原位聚合反應(yīng)的溫度是80°C，時(shí)間為3天。
[0017]進(jìn)一步的，所述步驟(4)中揮發(fā)正丙醇的溫度為40°C。
[0018] 進(jìn)一步的，所述步驟(5)中采用在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，碳化溫度為850°C，時(shí)間為3h。
[0019] 本發(fā)明采用短碳纖維，用原位聚合的方法將酚醛基納米膠引入短碳纖維預(yù)制體內(nèi) 部，碳化后轉(zhuǎn)化為納米碳膠，把短碳纖維粘結(jié)起來，形成三維連續(xù)的納米碳骨架，納米碳膠 相當(dāng)于"焊料"把短碳纖維焊接起來，因此，所制備的預(yù)制體等同于使用了連續(xù)碳纖維。這 樣，避免了連續(xù)碳纖維預(yù)制體制備過程中需要復(fù)雜的編織工藝和連續(xù)碳纖維昂貴的缺點(diǎn)。 此外，納米碳膠形成的孔隙是開放性的，完全滿足瀝青液相浸漬和化學(xué)氣相沉積致密化碳/ 碳復(fù)合材料對(duì)孔隙開放性的要求。碳納米骨架也有利于碳/碳復(fù)合材料強(qiáng)度和韌性的提高。
[0020] 本發(fā)明預(yù)制體以碳纖維為主，避免編織的復(fù)雜和成本過高，使用的浸漬劑是酚醛 基納米膠，但是使用凝膠的目的并不是用作前驅(qū)體，而是用作增強(qiáng)體填補(bǔ)預(yù)制體的孔洞。凝 膠浸漬預(yù)制體設(shè)備簡單、工藝周期短、成本較低，同時(shí)可以避免材料內(nèi)閉孔的形成，可有效 地得到高密度的碳/碳復(fù)合材料，為其制造、批量生產(chǎn)和應(yīng)用開辟了廣闊的前景。
[0021] 本發(fā)明和已有技術(shù)相比，其技術(shù)進(jìn)步是顯著的。本發(fā)明制備碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體 的方法不需昂貴的長碳纖維，不需復(fù)雜的編織成型工藝，操作方便，周期短，成本低，性能優(yōu) 異，易于工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0022] 圖1是實(shí)施例1的所得納米碳膠的SEM圖。
[0023]圖2是實(shí)施例2的所得納米碳膠的SEM圖。
[0024]圖3是實(shí)施例3的所得納米碳膠的SEM圖。
[0025] 圖4是實(shí)施例4的所得納米碳膠的SEM圖。
[0026] 圖5是實(shí)施例5的所得納米碳膠的SEM圖。
[0027]圖6是實(shí)施例6的所得納米碳膠的SEM圖。
[0028]圖7是實(shí)施例7的所得納米碳膠的SEM圖。
[0029]圖8是實(shí)施例8的所得納米碳膠的SEM圖。
[0030] 圖9是實(shí)施例9的所得納米碳膠的SEM圖。
[0031] 圖10是實(shí)施例1-9的所用的一種碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體材料用凝膠真空浸漬的裝 置示意圖，圖中所示，1真空干燥器，2分液漏斗，3真空表，4真空栗。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述，但并不限制本發(fā)明。
[0033]本發(fā)明所用的干燥設(shè)備為上海一恒科學(xué)儀器有限公司的DHG-9245A型電熱鼓風(fēng)干 燥箱。
[0034]本發(fā)明所用的碳化爐為上海意豐電爐有限公司的YFX12/12Q-GC型豎式碳化爐。
[0035] 本發(fā)明所用的掃描電子顯微鏡為FEI公司的Quanta 200FEG型的掃描式電子顯微 鏡。
[0036]本發(fā)明所用的各種原料的規(guī)格及生產(chǎn)廠家如下表：
[0038] 實(shí)施例1
[0039] (1)首先配制分散液，分散液中的分散劑聚氧化乙烯、甲基羥丙基纖維素醚和蒸餾 水的重量比為1:1: 2000,然后把長度為6mm的短碳纖維加入到分散液中，二者的重量比為1: 400,其中短碳纖維的重量為9g，最后把上述混合物在磁力攪拌器中攪拌8h把短碳纖維均勻 分散在分散液中，攪拌轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分鐘；
[0040] (2)把上述混合物傾倒入一定幾何形狀的容器中，容器的幾何形狀根據(jù)預(yù)制體的 形狀確定，靜置0.5h使短碳纖維沉降，把上層清液吸出；
[0041] (3)把上述容器放置在干燥箱中，在IHTC下烘干10h，得到初步成型的短碳纖維預(yù) 制體8.79g;
[0042] (4)攪拌下在200g的正丙醇中，依次加入間甲酚5.63g，苯酚14.87g，糠醛40.34g和 乙酰氯2.38g，間甲酚:苯酚:糠醛：乙酰氯:正丙醇的質(zhì)量比為1:2.63:7.16:0.43:35.52,加 完之后繼續(xù)攪拌〇.5h，配制苯酚-間甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液;把(3)所得含有短碳 纖維預(yù)制體的容器抽真空至壓力O.OIMPa，把所配制的正丙醇溶液通過導(dǎo)管吸入該容器中， 其中配制的正丙醇溶液需浸沒樣品，真空條件下浸漬6h;再把該容器在水浴鍋中加熱至80 °C，進(jìn)行原位聚合反應(yīng)，并在該溫度下保持3天;打開該容器蓋子，在40°C下加熱揮發(fā)正丙醇 得到酚醛樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體。
[0043] (5)把(4)所得酚醛樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體放置在碳化爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù) 下，加熱到850°C，并保持在該溫度下碳化3h，得到納米碳膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體。
[0044] 上述納米碳膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體中短碳纖維為9g，納米碳膠為16.67g，按照重量 比計(jì)算，所得預(yù)制體由54%的短碳纖維和余量的納米碳膠組成，短碳纖維長度為6_。
[0045] 實(shí)施例2
[0046] (1)首先配制分散液，分散液中的分散劑聚氧化乙烯、甲基羥丙基纖維素醚和蒸餾 水的重量比為1: 1:2000，然后把長度為6mm的短碳纖維加入到分散液中，二者的重量比為 0.5:400，其中短碳纖維的重量為4.5g，最后把上述混合物在磁力攪拌器中攪拌6h把短碳纖 維均勻分散在分散液中，攪拌轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)/分鐘；
[0047] (2)把上述混合物傾倒入一定幾何形狀的容器中，容器的幾何形狀根據(jù)預(yù)制體的 形狀確定，靜置0.5h使短碳纖維沉降，把上層清液吸出；
[0048] (3)把上述容器放置在干燥箱中，在IHTC下烘干10h，得到初步成型的短碳纖維預(yù) 制體；
[0049] (4)攪拌下在200g的正丙醇中，依次加入間甲酚5.63g，苯酚14.87g，糠醛40.34g和 乙酰氯2.38g，間甲酚:苯酚:糠醛：乙酰氯:正丙醇為1:2.63:7.16:0.43:35.52,加完之后繼 續(xù)攪拌〇.5h，配制苯酚-間甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液;把(3)所得含有短碳纖維預(yù)制 體的容器抽真空至壓力O.OIMPa，把所配制的正丙醇溶液通過導(dǎo)管吸入該容器中，其中配制 的正丙醇溶液需浸沒樣品，真空條件下浸漬6h;再把該容器在水浴鍋中加熱至80°C，進(jìn)行原 位聚合反應(yīng)，并在該溫度下保持3天;打開該容器蓋子，在40°C下加熱揮發(fā)正丙醇得到酚醛 樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體。
[0050] (5)把(4)所得酚醛樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體放置在碳化爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù) 下，加熱到850°C，并保持在該溫度下碳化3h，得到納米碳膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體。
[0051] 上述納米碳膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體中短碳纖維為4.5g，納米碳膠為11.25g，按照重 量比計(jì)算，所得預(yù)制體由40%的短碳纖維和余量的納米碳膠組成，短碳纖維長度為6_。 [0052] 實(shí)施例3
[0053] (1)首先配制分散液，分散液中的分散劑聚氧化乙烯、甲基羥丙基纖維素醚和蒸餾 水的重量比為1:1: 2000,然后把長度為9mm的短碳纖維加入到分散液中，二者的重量比為1: 400,其中短碳纖維的重量為9g，最后把上述混合物在磁力攪拌器中攪拌7h把短碳纖維均勻 分散在分散液中，攪拌轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)/分鐘；
[0054] (2)把上述混合物傾倒入一定幾何形狀的容器中，容器的幾何形狀根據(jù)預(yù)制體的 形狀確定，靜置0.5h使短碳纖維沉降，把上層清液吸出；
[0055] (3)把上述容器放置在干燥箱中，在IHTC下烘干10h，得到初步成型的短碳纖維預(yù) 制體；
[0056] (4)攪拌下在200g的正丙醇中，依次加入間甲酚5.63g，苯酚14.87g，糠醛40.34g和 乙酰氯2.38g，間甲酚:苯酚:糠醛：乙酰氯:正丙醇為1:2.63:7.16:0.43:35.52,加完之后繼 續(xù)攪拌〇.5h，配制苯酚-間甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液;把(3)所得含有短碳纖維預(yù)制 體的容器抽真空至壓力O.OIMPa，把所配制的正丙醇溶液通過導(dǎo)管吸入該容器中，其中配制 的正丙醇溶液需浸沒樣品，真空條件下浸漬6h;再把該容器在水浴鍋中加熱至80°C，進(jìn)行原 位聚合反應(yīng)，并在該溫度下保持3天;打開該容器蓋子，在40°C下加熱揮發(fā)正丙醇得到酚醛 樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體。
[0057] (5)把(4)所得酚醛樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體放置在碳化爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù) 下，加熱到850°C，并保持在該溫度下碳化3h，得到納米碳膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體。
[0058]上述納米碳膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體中短碳纖維為9g，納米碳膠為16.98g，按照重量 比計(jì)算，所得預(yù)制體由53%的短碳纖維和余量的納米碳膠組成，短碳纖維長度為9_。
[0059] 實(shí)施例4
[0060] (1)首先配制分散液，分散液中的分散劑聚氧化乙烯、甲基羥丙基纖維素醚和蒸餾 水的重量比為1:1:2000,然后把長度為12mm的短碳纖維加入到分散液中，二者的重量比為 1.5 :400，其中短碳纖維的重量為13.5g，最后把上述混合物在磁力攪拌器中攪拌8h把短碳 纖維均勻分散在分散液中，攪拌轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)/分鐘；
[0061] (2)把上述混合物傾倒入一定幾何形狀的容器中，容器的幾何形狀根據(jù)預(yù)制體的 形狀確定，靜置0.5h使短碳纖維沉降，把上層清液吸出；
[0062] (3)把上述容器放置在干燥箱中，在IHTC下烘干10h，得到初步成型的短碳纖維預(yù) 制體；
[0063] (4)攪拌下在200g的正丙醇中，依次加入間甲酚5.63g，苯酚14.87g，糠醛40.34g和 乙酰氯2.38g，間甲酚:苯酚:糠醛：乙酰氯:正丙醇為1:2.63:7.16:0.43:35.52,加完之后繼 續(xù)攪拌〇.5h，配制苯酚-間甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液;把(3)所得含有短碳纖維預(yù)制 體的容器抽真空至壓力O.OIMPa，把所配制的正丙醇溶液通過導(dǎo)管吸入該容器中，其中配制 的正丙醇溶液需浸沒樣品，真空條件下浸漬6h;再把該容器在水浴鍋中加熱至80°C，進(jìn)行原 位聚合反應(yīng)，并在該溫度下保持3天;打開該容器蓋子，在40°C下加熱揮發(fā)正丙醇得到酚醛 樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體。
[0064] (5)把(4)所得酚醛樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體放置在碳化爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù) 下，加熱到850°C，并保持在該溫度下碳化3h，得到納米碳膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體。
[0065] 上述納米碳膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體中短碳纖維為13.5g，納米碳膠為19.29g，按照重 量比計(jì)算，所得預(yù)制體由70%的短碳纖維和余量的納米碳膠組成，短碳纖維長度為12_。
[0066] 實(shí)施例5
[0067] (1)首先配制分散液，分散液中的分散劑聚氧化乙烯、甲基羥丙基纖維素醚和蒸餾 水的重量比為1: 1:2000，然后把長度為9mm的短碳纖維加入到分散液中，二者的重量比為 1.5 :400，其中短碳纖維的重量為13.5g，最后把上述混合物在磁力攪拌器中攪拌6h把短碳 纖維均勻分散在分散液中，攪拌轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分鐘；
[0068] (2)把上述混合物傾倒入一定幾何形狀的容器中，容器的幾何形狀根據(jù)預(yù)制體的 形狀確定，靜置〇. 5h使短碳纖維沉降，把上層清液吸出；
[0069] (3)把上述容器放置在干燥箱中，在IHTC下烘干10h，得到初步成型的短碳纖維預(yù) 制體；
[0070] (4)攪拌下在200g的正丙醇中，依次加入間甲酸5.63g，苯酸14.87g，糠醛40.34g和 乙酰氯2.38g，間甲酚:苯酚:糠醛：乙酰氯:正丙醇為1:2.63:7.16:0.43:35.52,加完之后繼 續(xù)攪拌〇.5h，配制苯酚-間甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液;把(3)所得含有短碳纖維預(yù)制 體的容器抽真空至壓力O.OIMPa，把所配制的正丙醇溶液通過導(dǎo)管吸入該容器中，其中配制 的正丙醇溶液需浸沒樣品，真空條件下浸漬6h;再把該容器在水浴鍋中加熱至80°C，進(jìn)行原 位聚合反應(yīng)，并在該溫度下保持3天;打開該容器蓋子，在40°C下加熱揮發(fā)正丙醇得到酚醛 樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體。
[0071] (5)把(4)所得酚醛樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體放置在碳化爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù) 下，加熱到850°C，并保持在該溫度下碳化3h，得到納米碳膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體。
[0072]上述納米碳膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體中短碳纖維為13.5g，納米碳膠為21.09g，按照重 量比計(jì)算，所得預(yù)制體由64%的短碳纖維和余量的納米碳膠組成，短碳纖維長度為9_。
[0073] 實(shí)施例6
[0074] (1)首先配制分散液，分散液中的分散劑聚氧化乙烯、甲基羥丙基纖維素醚和蒸餾 水的重量比為1:1:2000,然后把長度為12mm的短碳纖維加入到分散液中，二者的重量比為 0.5:400，其中短碳纖維的重量為4.5g，最后把上述混合物在磁力攪拌器中攪拌7h把短碳纖 維均勻分散在分散液中，攪拌轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分鐘；
[0075] (2)把上述混合物傾倒入一定幾何形狀的容器中，容器的幾何形狀根據(jù)預(yù)制體的 形狀確定，靜置〇. 5h使短碳纖維沉降，把上層清液吸出；
[0076] (3)把上述容器放置在干燥箱中，在IHTC下烘干10h，得到初步成型的短碳纖維預(yù) 制體；
[0077] (4)攪拌下在200g的正丙醇中，依次加入間甲酸5.63g，苯酸14.87g，糠醛40.34g和 乙酰氯2.38g，間甲酚:苯酚:糠醛：乙酰氯:正丙醇為1:2.63:7.16:0.43:35.52,加完之后繼 續(xù)攪拌〇.5h，配制苯酚-間甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液;把(3)所得含有短碳纖維預(yù)制 體的容器抽真空至壓力O.OIMPa，把所配制的正丙醇溶液通過導(dǎo)管吸入該容器中，其中配制 的正丙醇溶液需浸沒樣品，真空條件下浸漬6h;再把該容器在水浴鍋中加熱至80°C，進(jìn)行原 位聚合反應(yīng)，并在該溫度下保持3天;打開該容器蓋子，在40°C下加熱揮發(fā)正丙醇得到酚醛 樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體。
[0078] (5)把(4)所得酚醛樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體放置在碳化爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù) 下，加熱到850°C，并保持在該溫度下碳化3h，得到納米碳膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體。
[0079]上述納米碳膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體中短碳纖維為4.5g，納米碳膠為7.89g，按照重量 比計(jì)算，所得預(yù)制體由57%的短碳纖維和余量的納米碳膠組成，短碳纖維長度為12_。
[0080] 實(shí)施例7
[0081] (1)首先配制分散液，分散液中的分散劑聚氧化乙烯、甲基羥丙基纖維素醚和蒸餾 水的重量比為1:1:2000,然后把長度為12mm的短碳纖維加入到分散液中，二者的重量比為 1:400，其中短碳纖維的重量為9g，最后把上述混合物在磁力攪拌器中攪拌6h把短碳纖維均 勻分散在分散液中，攪拌轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分鐘；
[0082] (2)把上述混合物傾倒入一定幾何形狀的容器中，容器的幾何形狀根據(jù)預(yù)制體的 形狀確定，靜置〇. 5h使短碳纖維沉降，把上層清液吸出；
[0083] (3)把上述容器放置在干燥箱中，在IHTC下烘干10h，得到初步成型的短碳纖維預(yù) 制體；
[0084] (4)攪拌下在200g的正丙醇中，依次加入間甲酚5.63g，苯酚14.87g，糠醛40.34g和 乙酰氯2.38g，間甲酚:苯酚:糠醛：乙酰氯:正丙醇為1:2.63:7.16:0.43:35.52,加完之后繼 續(xù)攪拌〇.5h，配制苯酚-間甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液;把(3)所得含有短碳纖維預(yù)制 體的容器抽真空至壓力O.OIMPa，把所配制的正丙醇溶液通過導(dǎo)管吸入該容器中，其中配制 的正丙醇溶液需浸沒樣品，真空條件下浸漬6h;再把該容器在水浴鍋中加熱至80°C，進(jìn)行原 位聚合反應(yīng)，并在該溫度下保持3天;打開該容器蓋子，在40°C下加熱揮發(fā)正丙醇得到酚醛 樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體。
[0085] (5)把(4)所得酚醛樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體放置在碳化爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù) 下，加熱到850°C，并保持在該溫度下碳化3h，得到納米碳膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體。
[0086] 上述納米碳膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體中短碳纖維為9g，納米碳膠為13.43g，按照重量 比計(jì)算，所得預(yù)制體由67%的短碳纖維和余量的納米碳膠組成，短碳纖維長度為12_。
[0087] 實(shí)施例8
[0088] (1)首先配制分散液，分散液中的分散劑聚氧化乙烯、甲基羥丙基纖維素醚和蒸餾 水的重量比為1: 1:2000，然后把長度為6mm的短碳纖維加入到分散液中，二者的重量比為 1.5 :400，其中短碳纖維的重量為13.5g，最后把上述混合物在磁力攪拌器中攪拌7h把短碳 纖維均勻分散在分散液中，攪拌轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分鐘；
[0089] (2)把上述混合物傾倒入一定幾何形狀的容器中，容器的幾何形狀根據(jù)預(yù)制體的 形狀確定，靜置〇. 5h使短碳纖維沉降，把上層清液吸出；
[0090] (3)把上述容器放置在干燥箱中，在IHTC下烘干10h，得到初步成型的短碳纖維預(yù) 制體；
[0091] (4)攪拌下在200g的正丙醇中，依次加入間甲酚5.63g，苯酚14.87g，糠醛40.34g和 乙酰氯2.38g，間甲酚:苯酚:糠醛：乙酰氯:正丙醇為1:2.63:7.16:0.43:35.52,加完之后繼 續(xù)攪拌〇.5h，配制苯酚-間甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液;把(3)所得含有短碳纖維預(yù)制 體的容器抽真空至壓力O.OIMPa，把所配制的正丙醇溶液通過導(dǎo)管吸入該容器中，其中配制 的正丙醇溶液需浸沒樣品，真空條件下浸漬6h;再把該容器在水浴鍋中加熱至80°C，進(jìn)行原 位聚合反應(yīng)，并在該溫度下保持3天;打開該容器蓋子，在40°C下加熱揮發(fā)正丙醇得到酚醛 樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體。
[0092] (5)把(4)所得酚醛樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體放置在碳化爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù) 下，加熱到850°C，并保持在該溫度下碳化3h，得到納米碳膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體。
[0093]上述納米碳膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體中短碳纖維為13.5g，納米碳膠為22.13g，按照重 量比計(jì)算，所得預(yù)制體由61 %的短碳纖維和余量的納米碳膠組成，短碳纖維長度為6_。
[0094] 實(shí)施例9
[0095] (1)首先配制分散液，分散液中的分散劑聚氧化乙烯、甲基羥丙基纖維素醚和蒸餾 水的重量比為1: 1:2000，然后把長度為9mm的短碳纖維加入到分散液中，二者的重量比為 0.5:400，其中短碳纖維的重量為4.5g，最后把上述混合物在磁力攪拌器中攪拌8h把短碳纖 維均勻分散在分散液中，攪拌轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分鐘；
[0096] (2)把上述混合物傾倒入一定幾何形狀的容器中，容器的幾何形狀根據(jù)預(yù)制體的 形狀確定，靜置〇. 5h使短碳纖維沉降，把上層清液吸出；
[0097] (3)把上述容器放置在干燥箱中，在IHTC下烘干10h，得到初步成型的短碳纖維預(yù) 制體；
[0098] (4)攪拌下在200g的正丙醇中，依次加入間甲酚5.63g，苯酚14.87g，糠醛40.34g和 乙酰氯2.38g，間甲酚:苯酚:糠醛：乙酰氯:正丙醇為1:2.63:7.16:0.43:35.52,加完之后繼 續(xù)攪拌〇.5h，配制苯酚-間甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液;把(3)所得含有短碳纖維預(yù)制 體的容器抽真空至壓力O.OIMPa，把所配制的正丙醇溶液通過導(dǎo)管吸入該容器中，其中配制 的正丙醇溶液需浸沒樣品，真空條件下浸漬6h;再把該容器在水浴鍋中加熱至80°C，進(jìn)行原 位聚合反應(yīng)，并在該溫度下保持3天;打開該容器蓋子，在40°C下加熱揮發(fā)正丙醇得到酚醛 樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體。
[0099] (5)把(4)所得酚醛樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體放置在碳化爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù) 下，加熱到850°C，并保持在該溫度下碳化3h，得到納米碳膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體。
[0100] 上述納米碳膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體中短碳纖維為4.5g，納米碳膠為9.38g，按照重量 比計(jì)算，所得預(yù)制體由48%的短碳纖維和余量的納米碳膠組成，短碳纖維長度為9_。
[0101] 實(shí)施例10
[0102] 如圖10所示，本發(fā)明所用的一種碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體材料用凝膠真空浸漬的裝 置，由一個(gè)真空干燥器構(gòu)成，所述的真空干燥器1的上端設(shè)置有一個(gè)分液漏斗2,所述的分液 漏斗2的一側(cè)和一個(gè)真空栗4連接，上述的分液漏斗2的上端連接有一個(gè)真空表3。
[0103] 上述內(nèi)容僅為本發(fā)明構(gòu)思下的基本說明，而依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案所作的任何等 效變換，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體，其特征在于：按照重量比計(jì)算，由40-70%的短碳纖維和 余量的納米碳膠組成，所述的短碳纖維長度為6-12_。2. 權(quán)利要求1所述的一種碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體的制備方法，其特征在于包括以下步 驟： (1) 首先配制分散液，分散液中的分散劑為聚氧化乙烯和甲基羥丙基纖維素醚，聚氧化 乙烯和甲基羥丙基纖維素醚和蒸餾水的重量比為1:1: 2000,然后把長度為6-12mm的短碳纖 維加入到分散液中，短碳纖維和分散液的重量比為0.5-1.5:400，把上述混合物在磁力攪拌 器中攪拌6_8h，把短碳纖維均勾分散在分散液中，攪拌轉(zhuǎn)速為600-1000轉(zhuǎn)/分鐘； (2) 把上述混合物傾倒入一個(gè)容器中，容器的幾何形狀根據(jù)預(yù)制體的形狀確定，靜置， 使短碳纖維沉降，把上層清液吸出； (3) 把上述容器放置在干燥箱中，在100~120°C下烘干，得到初步成型的短碳纖維預(yù)制 體； (4) 配制苯酚-間甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液，在攪拌的狀態(tài)下，在正丙醇中，依次 加入間甲酚，苯酚，糠醛和乙酰氯，所述的間甲酚、苯酚、糠醛、乙酰氯和正丙醇的質(zhì)量比為 1:2.63 :7.16 :0.43 :35.52;然后，把（3)所得含有短碳纖維預(yù)制體的容器抽真空至壓力 O.OIMPa，把所配制的正丙醇溶液通過導(dǎo)管吸入所述的容器中，其中配制的正丙醇溶液需浸 沒短碳纖維預(yù)制體，真空條件下浸漬3~9h;再把該容器在水浴鍋中加熱至70~90°C，進(jìn)行原 位聚合反應(yīng)，并在該溫度下保持2~5天;最后，打開所述的容器蓋子，在35~50°C下加熱揮發(fā) 正丙醇，得到酚醛樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體； (5) 把(4)所得酚醛樹脂納米膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體放置在碳化爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，加 熱到800~950°C，并保持在該溫度下碳化1~4h，得到納米碳膠增強(qiáng)碳纖維預(yù)制體。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體的制備方法，其特征在于：所述 步驟(2 )中的短碳纖維沉降時(shí)間是0.5h。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體的制備方法，其特征在于：所述 步驟(4)中，真空浸漬壓力為0.01 MPa，浸漬時(shí)間為6h。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體的制備方法，其特征在于：所述 步驟(4)中原位聚合反應(yīng)的溫度是80°C，時(shí)間為3天。6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體的制備方法，其特征在于：所述 步驟(4)中揮發(fā)正丙醇的溫度為40°C。7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體的制備方法，其特征在于：所述 步驟(5)中采用在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，碳化溫度為850°C，時(shí)間為3h。
【文檔編號(hào)】C04B35/626GK105859303SQ201610227938
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月13日
【發(fā)明人】張睿, 孟婷婷, 金雙玲, 金鳴林, 邵霞, 張曉康, 穆艷菡, 王孝龍, 岳齊
【申請人】上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院