一种全预氧丝预制体制备高性能炭基复合材料的方法.pdf

一种预氧丝快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法，它有七大步骤：一、碳化后的预氧丝预制体放入快速渗积炉内，各盘之间垫入等厚的石墨垫片；二、炉体抽真空至-0.1MPa，通入高纯氮气，自由升温至1000℃，然后100～200℃/h程序升温至1800℃；三、在氮气保护下自由降温到设定温度；四、停止通入氮气，快速定向渗积炉炉体抽真空至-0.1MPa，电加热石墨套筒对炉体进行恒温控制；五、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

1、  一种全预氧丝预制体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：将碳化后的预氧丝预制体放入快速定向渗积炉内，各盘预氧丝预制体之间垫入等厚的石墨垫片；
步骤二：炉体抽真空至-0.1MPa，通入高纯氮气，气体从炉底通入，炉顶流出，自由升温至1000℃，然后按100～200℃/h程序升温至1800℃；
步骤三：在氮气保护下自由降温到设定温度；
步骤四：停止通入氮气，快速定向渗积炉炉体抽真空至-0.1MPa，电加热石墨套筒对炉体进行恒温控制；
步骤五：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；
步骤六：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小时一次性渗积，即可制得高性能炭基复合材料，密度达到1.70g/cm³～1.80g/cm³；
步骤七：炉体抽真空自由降温至室温。

2、  根据权利要求1所述的一种全预氧丝预制体制备高性能炭基复合材料的方法，其特征在于：步骤一中所述炭基复合材料预制体的预氧丝体积分数为22％～27％。

3、  根据权利要求1所述的一种全预氧丝预制体制备高性能炭基复合材料的方法，其特征在于：步骤一中所述的石墨垫片的厚度为1.5mm～5mm，垫片安放在预制体外缘，等距离放置。

4、  根据权利要求1所述的一种全预氧丝预制体制备高性能炭基复合材料的方法，其特征在于：步骤一中所述一次可安放预氧丝预制体30盘～50盘。

5、  根据权利要求1所述的一种全预氧丝预制体制备高性能炭基复合材料的方法，其特征在于：步骤二中所述氮气的纯度大于99.9％。

6、  根据权利要求1所述的一种全预氧丝预制体制备高性能炭基复合材料的方法，其特征在于：步骤二中所述氮气的流量为100～200L/h。

7、  根据权利要求1所述的一种全预氧丝预制体制备高性能炭基复合材料的方法，其特征在于：步骤三中所述降温到预氧丝预制体外围温度达到1080℃～1130℃，预热装置中心温度达到1020℃～1080℃。

8、  根据权利要求1所述的一种全预氧丝预制体制备高性能炭基复合材料的方法，其特征在于：步骤五中所述选用的碳源气体为天然气和丙烷混合气，稀释气体为氢气；天然气和丙烷的体积比为6～9∶1；氢气和丙烷的体积比为1～5∶1。

9、  根据权利要求1所述的一种全预氧丝预制体制备高性能炭基复合材料的方法，其特征在于：步骤五中所述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。

10、  根据权利要求1所述的一种全预氧丝预制体制备高性能炭基复合材料的方法，其特征在于：步骤五中所述快速渗积炉内的压力为2kPa～10kPa。

11、  根据权利要求1所述的一种全预氧丝预制体制备高性能炭基复合材料的方法，其特征在于：步骤七中所述炉体抽真空，其真空度为-0.1MPa。

一种全预氧丝预制体制备高性能炭基复合材料的方法
(一)技术领域
本发明涉及一种全预氧丝预制体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
目前，制备炭基复合材料的预制体主要的原料为炭纤维和预氧丝。英国Dunlop公司采用预氧丝针刺薄毡叠层成型技术制备炭基复合材料预制体，经过等温化学气相渗积后，炭基复合材料的密度达到1.75～1.89g/cm³，材料的力学性能偏低，但是摩擦磨损性能好。法国Messier-Bugatti采用针刺聚丙烯腈(PAN)预氧丝的Novoltex织物或针刺炭纤维整体毡预制体成型技术制备炭基复合材料预制体，经过等温化学气相渗积后，密度达到1.68～1.84g/cm³，和Dunlop公司制备的炭基复合材料相比，材料力学性能相当，但是摩擦系数偏低，磨损率偏高。中国航空工业集团总公司514厂采用针刺炭纤维制备炭基复合材料预制体，使用炭纤维的体积分数高于国外，以丙烯为碳源气体等温化学气相渗积制备炭基复合材料，密度达到1.70～1.80g/cm³，和国外材料性能相比，力学性能偏高，但摩擦磨损性能稍微偏差，基本满足航空航天用炭基复合材料的要求。
预氧丝预制体和炭纤维预制体相比，较低预氧丝体积分数的预制体(例如体积分数为23％)经过化学气相渗积后可以获得比较高炭纤维体积分数预制体(例如35％)制备的炭基复合材料有更优异的摩擦磨损性能，更加适合做航空飞机用刹车材料，得到全世界许多炭基复合材料生产单位的青睐。随着近些年，国家在炭纤维研究上投入的加大，目前国内已可制备性能和T300性能相当的炭纤维，能够制备性能比较稳定的预氧丝。预氧丝制备预制体可以有效防止Z相针刺时出现断丝，制备的预制体更加平整，性能更加稳定。由于预氧丝制备的预制体在气相渗积之前需要碳化，碳化后的预氧丝的性能与炭纤维不同，对渗积工艺提出了新的要求，本发明针对预氧丝预制体特殊的性能，提出了一种由碳化后的预氧丝预制体快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法。廉价的预氧丝预制体成本和快速的制备工艺必将大幅度降低高性能炭基复合材料的成本。
(三)发明内容
1、目的：本发明的目的是提供一种全预氧丝预制体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炭纤维制备预制体的限制，提供一种适合预氧丝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小时内快速定向渗积制备得到密度达到1.70～1.80g/cm³高性能炭基复合材料，制备周期短，预制体制备成本低，大幅度降低了高性能炭基复合材料制备成本。
2、技术方案：本发明一种全预氧丝预制体制备高性能炭基复合材料的方法，其快速定向渗积炉如图1所示，实施过程主要包括下列步骤：
步骤一：碳化后的预氧丝预制体放入快速定向渗积炉内，各盘预氧丝预制体之间垫入等厚的石墨垫片；
步骤二：炉体抽真空至-0.1MPa，通入高纯氮气，气体从炉底通入，炉顶流出，自由升温至1000℃，然后100～200℃/h程序升温至1800℃；
步骤三：在氮气保护下自由降温到设定温度；
步骤四：停止通入氮气，快速定向渗积炉炉体抽真空至-0.1MPa，电加热石墨套筒对炉体进行恒温控制；
步骤五：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；该快速定向渗积炉内的压力为2kPa～10kPa；
步骤六：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小时一次性渗积，即可制得高性能炭基复合材料，密度达到1.70g/cm³～1.80g/cm³；
步骤七：炉体抽真空自由降温至室温。
其中，步骤一中所述炭基复合材料预制体的预氧丝体积分数为22％～27％；
其中，步骤一中所述的等厚的石墨垫片，其厚度为1.5mm～5mm，该石墨垫片安放在预制体外缘，等距离放置；
其中，步骤一中所述碳化后的预氧丝预制体放入快速定向渗积炉内，一次可安放预氧丝预制体30盘～50盘；
其中，步骤二中所述通入高纯氮气，其氮气的纯度大于99.9％；氮气的流量为100～200L/h；
其中，步骤三中所述自由降温到设定温度，降温到预氧丝预制体外围温度达到1080℃～1130℃，预氧丝预制体中心温度达到1020℃～1080℃；
其中，步骤五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；天然气和丙烷的体积比为6～9∶1；氢气和丙烷的体积比为1～5∶1；
其中，步骤五中所述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；
其中，步骤七中所述炉体抽真空，其真空度为-0.1MPa。
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)本发明采用预氧丝预制体制备高性能炭基复合材料，目前预氧丝市场价格低于炭纤维，因而选用预氧丝降低了高性能炭基复合材料的制备成本。
(2)采用预氧丝制备的预制体表面平整，Z向导热性能好，摩擦磨损性能好，特别适合做航空用摩擦元件。
(3)创新的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，提高了前驱气体的利用率，进一步降低了材料的制备成本。
(4)采用本发明技术，200小时内可制备密度达到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，缩短了制备周期。
(四)附图说明
图1高性能炭基复合材料快速定向渗积炉结构示意图
图2垫片的安装示意图
附图标记说明
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-预氧丝预制体；
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
本发明一种全预氧丝预制体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
本发明一种全预氧丝预制体制备高性能炭基复合材料的方法，该方法具体步骤如下：
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。
步骤一：碳化后的预氧丝预制体6放入快速定向渗积炉内，外径为420mm，内径为250mm，厚度为24mm，初始预氧丝体积分数22％，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。
步骤二：炉体抽真空至-0.1MPa，通入纯度大于99.9％的高纯氮气，气体从炉底通入，炉顶流出，氮气的流量为100L/h，自由升温至1000℃，然后100℃/h程序升温至1800℃；
步骤三：在氮气保护下自由降温到预氧丝预制体外围温度达到1080℃，预氧丝预制体中心温度达到1030℃；
步骤四：停止通入氮气，快速定向渗积炉炉体抽真空至-0.1MPa，电加热石墨套筒对炉体进行恒温控制；
步骤五：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80g，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。
步骤六：渗积160小时，炭基复合材料的密度就可达到1.72～1.76g/cm³。
步骤七：炉体抽真空自由降温至室温。其真空度为-0.1MPa。
实施例2
本发明一种全预氧丝预制体制备高性能炭基复合材料的方法，该方法具体步骤如下：
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。
步骤一：碳化后的预氧丝预制体6放入快速定向渗积炉内，外径为450mm，内径为270mm，厚度为22mm，初始预氧丝体积分数25％，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30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。
步骤二：炉体抽真空至-0.1MPa，通入纯度大于99.9％的高纯氮气，气体从炉底通入，炉顶流出，氮气的流量为100L/h，自由升温至1000℃，然后100℃/h程序升温至1800℃；
步骤三：在氮气保护下自由降温到预氧丝预制体外围温度达到1070℃，预氧丝预制体中心温度达到1020℃；
步骤四：停止通入氮气，快速定向渗积炉炉体抽真空至-0.1MPa，电加热石墨套筒对炉体进行恒温控制；
步骤五：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1/1，控制渗积炉的炉内压力为5kPa。
步骤六：渗积190小时，炭基复合材料的密度就可达1.73g/cm³～1.80g/cm³。；
步骤七：炉体抽真空自由降温至室温。其真空度为-0.1MPa。