国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法.pdf

国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法，它有五大步骤：步骤一：将国产炭纤维预制体放入硝酸中80℃氧化处理2小时；步骤二：将国产炭纤维预制体放入快速定向渗积炉内，各炭纤维预制体之间垫入等厚的石墨垫片；步骤三：快速定向渗积炉炉体抽真空，电加热石墨套筒，加热炭纤维预制体；步骤四：通入碳源气体和稀释气体，气体混合有一定的体积比，气体从炉底通入，炉顶抽出，其流量根据装入炉内预制体总重量调整，炉内压力有要求；步骤五：预制体的渗积过程从预制体内部向外表面逐渐推进，经过120～200小时一次性渗

1、  一种国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一：将炭纤维预制体放入硝酸中80℃氧化处理2小时；
步骤二：将炭纤维预制体放入快速定向渗积炉内，各炭纤维预制体之间垫入等厚的石墨垫片；
步骤三：快速定向渗积炉炉体抽真空，电加热石墨套筒和炭纤维预制体；
步骤四：通入碳源气体和稀释气体，气体混合有一定的体积比，气体从炉底通入，炉顶抽出，其流量根据装入炉内预制体总重量调整，渗积炉内的压力为2kPa～10kPa；
步骤五：炭纤维预制体的渗积过程从炭纤维预制体内部向外表面逐渐推进，经过120～200小时一次性渗积，即可制得高性能炭基复合材料，密度达到1.70g/cm³～1.80g/cm³。

2、  根据权利要求1所述的国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法，其特征在于：在步骤一中所述的硝酸，为浓度67％～70％的工业硝酸。

3、  根据权利要求1所述的国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法，其特征在于：在步骤二中所述的等厚的石墨垫片，其厚度为1.5mm～5mm，安放在预制体外缘的等距离放置。

4、  根据权利要求1所述的国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法，其特征在于：在步骤二中所述的将炭纤维预制体放入快速定向渗积炉内，一次可安放炭纤维预制体30盘～50盘。

5、  根据权利要求1所述的国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法，其特征在于：在步骤二中所述的炭纤维，其初始密度为0.4g/cm³～0.6g/cm³。

6、  根据权利要求1所述的国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法，其特征在于：在步骤三中所述的电加热，控制炭纤维预制体外围温度达到1100℃～1150℃，石墨套筒中心温度达到1050℃～1100℃。

7、  根据权利要求1所述的国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法，其特征在于：在步骤三中所述的快速定向渗积炉炉体抽真空，其真空抽至-0.1MPa。

8、  根据权利要求1所述的国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法，其特征在于：在步骤四中所述的碳源气体为天然气和丙烷混合气，稀释气体为氢气；所述的气体混合体积比是：天然气和丙烷的体积比为7～9∶1；氢气和丙烷的体积比为1～3∶1。

9、  根据权利要求1所述的国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法，其特征在于：在步骤四中所述的流量根据装入炉内预制体总重量调整，是指控制每公斤预制体每小时所需碳源气体天然气和丙烷总重量为50g～100g。

国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法
(一)技术领域
本发明涉及一种炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法，特别是涉及一种国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法，属于炭基复合材料快速制备技术领域。
(二)背景技术
炭纤维增强炭基复合材料自1958年在美国CHANCE VOUGHT实验室偶然诞生以来就受到广泛的关注，特别是作为耐高温和耐磨损材料已广泛应用于航空、航天等领域。炭基复合材料具有结构和功能双重优点，能够满足其作为航空刹车副的各项要求，自1973年第一次用于飞机刹车以来，全世界已有40种以上的民用飞机和22种以上的军用飞机采用了碳刹车盘。化学气相渗透和液相浸渍工艺是制备炭基复合材料的主要方法。传统的等温等压化学气相渗积(chemicalvapor infiltration，CVI)工艺具有工艺参数容易控制，能成型复杂几何形状制品等优点，而广泛应用工业化生产，但坯体在致密化过程中容易表面结壳阻碍沉积，需要多次中断沉积进行机械加工除去表面壳层，因而致密化周期长(600～2000h)。树脂、沥青液相浸渍工艺通常在常压或者减压下进行，依靠增加浸渍-炭化-石墨化循环次数致密制品，容易制得致密、尺寸稳定的制品，但是工艺效率低且液体难以浸渍到坯体的微孔中去，制品易产生微裂纹和分层等缺陷。对此发展了高压浸渍工艺，但所使用的压力都在2MPa以上，工艺复杂，对设备要求高，导致材料成本上升。目前，国内生产炭基复合材料采用的炭纤维主要从日本东丽公司和日本东邦公司购买。随着我国炭纤维工业生产技术日渐成熟，国产炭纤维批量生产问题已逐渐解决，山东威海光威集团生产的CCF型号炭纤维密度达到1.77g/cm³，拉伸强度达到3.95GPa，模量达到227GPa，断裂伸长率达到1.84％，炭纤维性能和日本东丽公司生产T300系列炭纤维性能相当。但目前针对由我国国产炭纤维制备炭基复合材料的研究很少，国产炭纤维预制体快速定向渗积过程中许多关键技术问题还没有解决。
(三)发明内容
1、目的：本发明的目的是提供一种炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法，特别是提供一种国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法，它突破国内炭基复合材料制备过程中主要使用日本产炭纤维限制，提供一种适合国产炭纤维增强高性能炭基复合材料的化学气相渗积快速制备技术工艺，200小时内快速制备得到密度达到1.70～1.80g/cm³高性能炭基复合材料，它缩短了制备周期，提高了热解炭前躯体利用率，大幅度降低了高性能炭基复合材料制备成本。
2、技术方案：本发明一种国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法，其化学气相渗积设备如图1所示，对国产炭纤维的实施过程主要包括下列步骤：
步骤一：将炭纤维预制体放入硝酸中80℃氧化处理2小时；
步骤二：将炭纤维预制体放入快速定向渗积炉内，各炭纤维预制体之间垫入等厚的石墨垫片；
步骤三：快速定向渗积炉炉体抽真空，电加热石墨套筒和炭纤维预制体；
步骤四：通入碳源气体和稀释气体，气体混合有一定的体积比，气体从炉底通入，炉顶抽出，其流量根据装入炉内炭纤维预制体总重量调整，渗积炉内的压力为2kPa～10kPa；；
步骤五：炭纤维预制体的渗积过程从炭纤维预制体内部向外表面逐渐推进，经过120～200小时一次性渗积，即可制得高性能炭基复合材料，密度达到1.70g/cm³～1.80g/cm³。
其中，所述步骤一中硝酸为浓度为67％～70％的工业硝酸；
其中，所述步骤二中的石墨垫片的厚度为1.5mm～5mm，垫片安放在炭纤维预制体外缘，等距离放置；
其中，所述步骤二中一次可安放炭纤维预制体30盘～50盘；
其中，所述步骤二中炭纤维的初始密度为0.4g/cm³～0.6g/cm³；
其中，所述步骤三中电加热时，控制炭纤维预制体外围温度达到1100℃～1150℃，石墨套筒中心温度达到1050℃～1100℃；
其中，所述步骤三中渗积炉炉体抽真空至-0.1MPa；
其中，所述步骤四中选用的碳源气体为天然气和丙烷混合气，稀释气体为氢气；
其中，所述步骤四中天然气和丙烷的体积比为7～9∶1；
其中，所述步骤四中氢气和丙烷的体积比为1～3∶1；
其中，所述步骤四中流量根据装入炉内预制体总重量调整，是指控制每公斤预制体每小时所需碳源气体天然气和丙烷总重量为50g～100g；
3、优点及功效：本发明与现有技术相比，其优点及功效在于：
(1)本发明采用国产炭纤维预制体制备高性能高性能炭基复合材料，目前国产炭纤维价格低于日本产炭纤维，因而选用国产炭纤维降低了高性能炭基复合材料的制备成本，同时选用国产炭纤维制备高性能炭基复合材料具有重要的意义。
(2)采用天然气和丙烷混合气作为碳源气体，氢气作为稀释气体，可以实现自预制体内部向外部的快速定向渗积，避免了炭基复合材料在快速制备过程中表面结壳，提高了碳源气体的利用率，常达30％～60％；炉内工装的合理设计有效避免了气体滞留，抑制了炭黑的生成。
(3)炉内工装可根据国产炭纤维增强高性能炭基复合材料结构要求重新设计，能够满足不同结构炭基复合材料制备要求。
(4)采用本发明技术，200小时可制备密度达到1.70～1.80g/cm³的高性能炭基复合材料，热解炭主要为粗糙层。和传统等温工艺相比，制备工艺周期大大缩短，降低了产品的制备成本。
(四)附图说明
图1高性能炭基复合材料快速定向渗积气流控制设备结构示意图
图2垫片的安装示意图
图中符号说明如下：
1-出气口；   2-渗积炉壁；    3-加热石墨套筒；
4-石墨盖板； 5-石墨垫片；    6-国产炭纤维预制体；
7-石墨导流装置；     8-通孔；    9-石墨圆板；
10-带孔石墨圆板；    11-垫片；   12-石墨圆筒；
13-进气口。
(五)具体实施方式
本发明一种国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法，该方法具体实施例如下：
实施例1
其化学气相渗积设备如图1所示，本发明所述的方法在该高性能炭基复合材料快速定向渗积气流控制设备中进行。所述炭纤维采用国产炭纤维，以国产炭纤维进行实施。
本发明一种国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：将炭纤维预制体放入浓度为70％硝酸中80℃氧化处理2小时。
步骤二：将炭纤维预制体6，外径为420mm，内径为250mm，厚度为24mm，初始密度为0.45g/cm³，平稳放置在石墨圆板9上，每片预制体之间用石墨垫片5垫开，一次装入石墨预制体40片，并盖上石墨盖板4。石墨垫片5的放置位置如图2所示，石墨垫片5的厚度为1.5mm。
步骤三：电加热石墨套筒3和炭纤维预制体6，其石墨套筒3中心温度达到1090℃。
步骤四：将碳源气体天然气和丙烷的混气以及稀释气体氢气通过进气口13通入渗积炉，碳源气体的总流量视预制体的总流量而定，每公斤预制体每小时通入碳源气体60g，天然气和丙烷的体积比为8/1，丙烷和稀释气体氢气的体积比为1/1，控制渗积炉的炉内压力为5kPa。
步骤五：渗积180小时，炭基复合材料的密度就可达到1.73g/cm³～1.78g/cm³。
实施例2
其化学气相渗积设备如图1所示，本发明所述的方法在该高性能炭基复合材料快速定向渗积气流控制设备中进行。所述炭纤维采用国产炭纤维，以国产炭纤维进行实施。
国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：将国产炭纤维预制体放入浓度为70％硝酸中80℃氧化处理2小时。
步骤二：将国产炭纤维预制体6，外径为45mm，内径为280mm，厚度为23mm，初始密度为0.55g/cm³，平稳放置在石墨圆板9上，每片预制体之间用石墨垫片5垫开，一次装入石墨预制体40片，并盖上石墨盖板4。石墨垫片5的放置位置如图2所示，石墨垫片5的厚度为1.5mm。
步骤三：电加热石墨套筒3和炭纤维预制体6，其石墨套筒3中心温度达到1090℃。
步骤四：将碳源气体天然气和丙烷的混气以及稀释气体氢气通过进气口13通入渗积炉，碳源气体的总流量视预制体的总流量而定，每公斤预制体每小时通入碳源气体50g，天然气和丙烷的体积比为8/1，丙烷和稀释气体氢气的体积比为1/2，控制渗积炉的炉内压力为5kPa。
步骤五：渗积200小时，炭基复合材料的密度就可达到1.71g/cm³～1.78g/cm³。