模压制备含锆炭基复合材料的方法 【技术领域】
本发明涉及一种含锆炭基复合材料的制备方法。
背景技术
炭和石墨制品具有密度低，模量、强度高的特点，特别是优良的高温机械性能，被广泛用于航天和航空等高科技领域。但炭材料的某些性能仍然存在一定的不足，需要进一步加强。掺杂是改进材料性能的主要手段之一，其过程是向炭材料添加特定元素以形成复合材料。
通常，炭-石墨材料的生产工艺是采用填料、粘结剂，通过一次热压成型或模压成型、炭化、石墨化以及浸渍-炭化增密工艺，最终制成达到性能要求的产品，而炭纤维增强复合材料则采用炭纤维编织体，采用化学气相沉积或浸渍、炭化增密等方法制成产品。
工业和科研人员通过粉末掺杂的方法制备了许多种炭基复合材料，如含锆、钛、硅、硼等元素。邱海鹏等人在《航空材料学报》2003年第一期29-33页中报道了采用微粉掺杂、一次热压成型制备了含锆炭基复合材料。崔红等人在《西北工业大学学报》2000年第4期报道了添加难熔金属碳化物提高炭-炭复合材料抗烧蚀性能，采用氧化锆在树脂中悬浮的方法制成浸渍剂，在对炭纤维编织体进行浸渍增密过程中把锆或钽引入复合材料。上述方法存在着如下问题：所采用的微粉是10-50微米大小的颗粒，由于粉末的颗粒度过高使得材料均匀性难以精细控制，无法充分发挥掺杂组元功效；掺杂成分和炭机体之间存在较明显的界面，在使用中容易造成应力集中而破坏。由此造成产品质量的波动性大、成品率低的缺点。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种产品质量稳定、成品率高地制备含锆炭基复合材料的方法。
本发明采用发明人在专利“一种含锆沥青及其制备方法”(申请号0116023.3；公开号CN1385494A)制备的含锆沥青，以这种沥青为浸渍剂、粘结剂，煅烧焦粉为填料，采用常规模压成型-炭化，再经过其后的增密工艺制造的含锆炭基复合材料。
本发明的制备方法包括如下步骤：
(1)备料：用软化点95--110℃，含锆2--5wt％的沥青和100--200目粒度的煅烧至1200--1300℃的焦粉，以沥青：焦粉的质量比为10～15∶85～90配料，机械混磨20--48小时；
(2)成型：在20-90Mpa、室温--200℃成型制成坯体材料；在常压、惰性气体保护下，以10--15℃/小时的速度炭化至800--1000℃、并在800-1000℃恒温30-60分钟，由此制成成型品；
(3)浸渍、炭化、石墨化增密过程：采用软化点95-106℃、含锆2-4.2％的沥青为浸渍剂，在1--2Mpa、260--300℃下对制成成型品进行浸渍，然后以10--15℃/小时的速度，在惰性气体保护下炭化至800--1100℃炭化、在800-1000℃恒温30-60分钟；石墨化在氩气气氛中、以100--200℃/小时的速度升至2200--2400℃，并在2200-2400℃恒温10-20分钟，增密过程循环二次即可得到目标产品。
如上所述的沥青是采用了发明专利“一种含锆沥青及其制备方法”(申请号0116023.3；公开号CN1385494A)中所述的方法制备的。
本发明具有如下优点：
由于这种含锆沥青中的锆是以极细的状态存在于沥青中，锆转化成碳化锆后均匀地分散在基体炭中，锆元素的利用率高；与微粉掺杂的方法制造的材料相比，按本专利制造的复合材料中的锆在粘结剂、浸渍剂中达到精细均匀分布，制造的材料更加均匀，具有更优良的性质，产品质量稳定、成本低，成品率高。
【具体实施方式】
实施例1
按照发明者另一项专利“一种含锆沥青及其制备方法”(申请号0116023.3；公开号CN1385494A)，取软化点68℃的煤沥青，和氯化锆按100∶12的比例、在350℃下反应3小时即得到软化点110℃、含锆5wt％的沥青。取此沥青150克，100目粒度的煅烧至1200℃的焦粉850克，经过24小时机磨后，在压力成型机上于室温、90MPa压制成型，得到坯体材料。以15℃/小时的速度，在惰性气体保护下炭化至1000℃，在1000℃恒温30分钟即得到成型体；再经过两次浸渍、炭化和石墨化增密工艺就得到含锆炭基复合材料。其增密过程是：以95℃软化点、含锆2％的沥青为浸渍剂，在1Mpa、260℃下对成型体浸渍，然后以10℃/小时的升温速度，在惰性气体保护下炭化至800℃并恒温60分钟；石墨化是在2200℃、氩气气氛中进行的，升温速度是100℃/小时，并在2200℃恒温20分钟。该材料的密度是1.73g/cm3，抗弯强度是23.8Mpa，抗压强度45.1Mpa。强度的力学性能是指垂直于压制方向的数据，以下实例与此相同。
实施例2
与实施例1中制备含锆沥青的方法类似，取软化点68℃的煤沥青，和氯化锆按100∶5的比例、在350℃下反应3小时即得到软化点95℃、含锆2wt％的沥青。取此沥青90克，200目粒度煅烧至1300℃的焦粉910克，经过48小时机磨后，在压力成型机上于室温、60MPa压制成型，得到坯体材料。以10℃/小时的速度，在惰性气体保护下炭化至1000℃并恒温30分钟即得到成型体；再经过两次浸渍、炭化和石墨化增密工艺就得到含锆炭基复合材料。其增密过程是：采用软化点106℃、含锆4.2％的沥青为浸渍剂，在1.5Mpa、280℃下对成型体浸渍，然后以15℃/小时的升温速度，在惰性气体保护下炭化至1000℃并恒温30分钟；石墨化是在2400℃、氩气气氛中进行的，升温速度是200℃/小时，并在2400℃恒温10分钟。该材料的密度是1.75g/cm3，抗弯强度是24.1Mpa，抗压强度47.0Mpa。
实施例3
与实施例1中制备含锆沥青的方法类似，取软化点68℃的煤沥青，和氯化锆按100∶5的比例、在350℃下反应3小时即得到软化点95℃、含锆2wt％的沥青。取此沥青90克，200目粒度煅烧至1300℃的焦粉910克，经过48小时物理、机械混合后，在压力成型机上于200℃、20MPa压制成型，得到坯体材料。以10℃/小时的速度，在惰性气体保护下炭化至1000℃并恒温30分钟即得到成型体；再经过两次和实例1中同样的浸渍、炭化和石墨化工艺得到含锆炭基复合材料。该材料的密度是1.79g/cm3，抗弯强度是27.1Mpa，抗压强度57.0Mpa。
实施例4
与实施例1中制备含锆沥青的方法类似，取软化点68℃的煤沥青，和氯化锆按100∶10的比例、在350℃下反应3小时即得到软化点106℃、含锆4.2wt％的沥青。取此沥青120克，100目粒度的煅烧至1200℃的焦粉880克，经过30小时机磨后，在压力成型机上于150℃、30MPa压制成型，得到坯体材料。以12℃/小时的速度，在惰性气体保护下炭化至900℃并恒温45分钟即得到成型体；再经过两次浸渍、炭化和石墨化增密工艺就得到含锆炭基复合材料。其增密过程是：采用软化点101℃、含锆3.4％的沥青为浸渍剂，在1.5Mpa、280℃下对浸渍，然后以15℃/小时的升温速度，在惰性气体保护下炭化至1000℃并恒温30分钟；石墨化是在2400℃、氩气气氛中进行的，升温速度是150℃/小时，并在2400℃恒温10分钟。该材料的密度是1.77g/cm3，抗弯强度是26.4Mpa，抗压强度53.5Mpa。