專利名稱：碳纖維與熱解碳基體中間相瀝青過渡層復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳纖維與熱解碳基體過渡層復(fù)合材料的制備方法，特別是中間相瀝青過渡層復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
碳/碳復(fù)合材料有很多優(yōu)異性能，但是其韌性差、脆性高限制了其作為結(jié)構(gòu)性能制件在軍事和航空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。文獻[Hariom Dwivedi，Rakesh B.Mathur，Tersem L.Dhami，Om P.Bahl，Marc Monthioux，Sahendra P.Sharma.Evidence for the benefit of adding a carbon interphase in anall-carbon composite.Carbon，44(4)，2006，699-709]報導(dǎo)了在碳/碳復(fù)合材料中碳纖維與瀝青碳基體界面處添加熱解碳界面過渡層的方法，并指出在所有的碳/碳復(fù)合材料中添加碳界面層可以使制備的碳/碳復(fù)合材料韌性提高、脆性降低，整體力學(xué)性能得到較大的提高。其主要的理論依據(jù)在于1)碳纖維的表面粗糙度和表面官能團在沉積一層熱解碳后發(fā)生改變，從而改變了碳纖維的表面狀態(tài)；2)沉積的熱解碳是一層多孔、低密度的界面層，該特點有利于偏轉(zhuǎn)基體破壞產(chǎn)生的微裂紋，實現(xiàn)裂紋偏轉(zhuǎn)，使得材料的力學(xué)性能有所提高；3)熱解碳界面層是一層多孔組織，它有助于主裂紋發(fā)展為次級小裂紋，從而減緩裂紋的擴散速度和強度，使材料抵抗破壞的能力增強。制備熱解碳過渡層的方法是采用化學(xué)氣相沉積法(以下簡稱CVD)，通過控制CVD工藝的沉積溫度、沉積時間、前驅(qū)體種類及流速等參數(shù)來實現(xiàn)。對于不同的前驅(qū)體來說，CVD的沉積溫度范圍為800～1300℃，因此該制備方法需要高溫設(shè)備，對于沉積設(shè)備的要求很高，而且增加制備成本。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)制備熱解碳過渡層需要高溫設(shè)備造成制備成本高的不足，本發(fā)明提供一種碳纖維與熱解碳基體中間相瀝青過渡層復(fù)合材料的制備方法，通過中間相瀝青作為碳/碳復(fù)合材料中碳纖維與熱解碳基體過渡層，制備過程不需要高溫設(shè)備，達(dá)到降低制備成本的目的。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是碳纖維與熱解碳基體中間相瀝青過渡層復(fù)合材料的制備方法，包括下述步驟1)首先將3K碳布按照設(shè)計大小進行裁剪，然后疊層并Z向穿刺在一起，制成碳纖維預(yù)制體，選取中間相含量約占瀝青重量85％的中間相瀝青粉備用；2)將上述碳纖維預(yù)制體放在不銹鋼浸漬罐中，用上述中間相瀝青粉包埋預(yù)制體后，放入浸漬爐；3)對浸漬爐抽真空，并將惰性氣體通入浸漬爐置換爐內(nèi)空氣，對浸漬爐加熱升溫到200～400℃后保溫0.5～1.5h后，通入0.5～1MPa的惰性氣體并繼續(xù)保溫、保壓0.5～1.5h，然后關(guān)閉電源、切斷惰性氣源，自然冷卻至室溫；4)將不銹鋼浸漬罐從浸漬爐中取出，上端部用不銹鋼蓋板壓住，放入碳化爐中，并在不銹鋼蓋板上鋪一層碳粉后，對碳化爐加熱升溫，在2h內(nèi)由室溫自然升到250℃并保溫0.5～1.5h，然后采用不同升溫速率分段升溫、保溫，在250～800℃之間，升溫速率控制在5～25℃/h范圍內(nèi)，每一階段保溫0.5～2.5h，整個碳化過程用惰性氣體進行保護，惰性氣體的壓力為0.5～1MPa；5)從浸漬罐中取出碳化后的中間相瀝青碳過渡層碳/碳復(fù)合材料，然后放入化學(xué)氣相沉積爐中用化學(xué)氣相滲透法進行沉積，制成中間相瀝青過渡層碳/碳復(fù)合材料成品。
本發(fā)明的有益效果是，由于通過在碳/碳復(fù)合材料中采用中間相瀝青作為碳/碳復(fù)合材料中碳纖維與熱解碳基體過渡層，可以緩解碳纖維與熱解碳基體熱膨脹系數(shù)不匹配的特性，在碳纖維界面結(jié)合處形成弱結(jié)合從而減弱碳纖維與熱解碳的強界面結(jié)合特性，構(gòu)造結(jié)合強度適中的界面，提高了材料的力學(xué)性能。而中間相瀝青作為碳/碳復(fù)合材料中碳纖維與熱解碳基體過渡層的制備采用浸漬的方法，與現(xiàn)有技術(shù)采用化學(xué)氣相沉積法熱解碳作過渡層相比，制備所需溫度由800～1300℃降低到600～800℃，整個制備過程不需要高溫沉積設(shè)備，從而降低了制備成本。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
圖1是本發(fā)明碳纖維與熱解碳基體中間相瀝青過渡層復(fù)合材料的制備方法所制備的碳/碳復(fù)合材料斷口掃描電鏡形貌照片。
圖2是本發(fā)明碳纖維與熱解碳基體中間相瀝青過渡層復(fù)合材料的制備方法中間相瀝青過渡層碳化過程溫度曲線。
具體實施例方式
實施例1，首先將3K碳布按照80mm×80mm大小進行裁剪，然后疊層并Z向穿刺在一起，制成80mm×80mm×5mm的碳纖維預(yù)制體。
選取軟化點為290℃的中間相瀝青粉備用，中間相含量約占瀝青重量的85％。
將上述碳纖維預(yù)制體放在Φ130×120mm的不銹鋼浸漬罐中，用上述中間相瀝青粉包埋預(yù)制體后，放入浸漬爐。
檢查浸漬爐的密封完好后，對浸漬爐抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到5×10-3MPa時，將惰性氣體N2通入浸漬爐置換爐內(nèi)空氣，然后依照上述操作過程對浸漬爐再抽真空一次，以保證浸漬爐內(nèi)殘存氣氛為惰性氣體N2。當(dāng)確認(rèn)浸漬爐內(nèi)為惰性氣氛N2后，對浸漬爐加熱升溫，設(shè)定加熱終點溫度為330℃。浸漬爐自由升溫，期間瀝青熔化，液態(tài)瀝青借助負(fù)壓和碳纖維對其產(chǎn)生的吸附作用，充分進入預(yù)制體內(nèi)部的孔隙中。達(dá)到330℃設(shè)定溫度后保溫1h后，通入0.5MPa的N2，并在溫度330℃、壓力0.5MPa下繼續(xù)保溫、保壓1h，然后關(guān)閉電源、切斷惰性氣源，自然冷卻至室溫。
經(jīng)過上述工藝處理后，將不銹鋼浸漬罐上端部用不銹鋼蓋板壓住，放入碳化爐中碳化，并在蓋板上鋪一層碳粉以減弱碳化過程出現(xiàn)的膨脹、防止空氣氧化。對碳化爐加熱升溫，2h內(nèi)由室溫自然升到250℃并保溫1h；然后以10℃/h的升溫速率從250℃升到350℃保溫1h；以5℃/h的升溫速率從350℃升到450℃保溫2h；以15℃/h的升溫速率從450℃升到600℃保溫1h；以25℃/h的升溫速率從600℃升到800℃保溫2h，溫度曲線參見圖2。整個碳化過程用N2氣氛進行保護，N2壓力為0.5MPa。
從不銹鋼浸漬罐中取出碳化后的中間相瀝青碳過渡層碳/碳復(fù)合材料，然后放入化學(xué)氣相沉積爐中用化學(xué)氣相滲透法進行沉積，以達(dá)到中間相瀝青過渡層碳/碳復(fù)合材料制成品的密度要求。從圖1所示含有中間相瀝青過渡層碳/碳復(fù)合材料斷口用掃描電鏡觀察，在碳纖維邊緣可以看到圍繞碳纖維生長的中間相瀝青碳過渡層。
實施例2，首先將3K碳布按照60mm×60mm大小進行裁剪，然后疊層并Z向穿刺在一起，制成60mm×60mm×4mm的碳纖維預(yù)制體。
中間相瀝青粉的選取同實施例1。
將上述碳纖維預(yù)制體放在Φ130×120mm的不銹鋼浸漬罐中，用上述中間相瀝青粉包埋預(yù)制體后，放入浸漬爐。
檢查浸漬爐的密封完好后，對浸漬爐抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到5×10-3MPa時，將惰性氣體Ar2通入浸漬爐置換爐內(nèi)空氣，然后依照上述操作過程對浸漬爐再抽真空一次，以保證浸漬爐內(nèi)殘存氣氛為惰性氣體Ar2。當(dāng)確認(rèn)浸漬爐內(nèi)為惰性氣氛Ar2后，對浸漬爐加熱升溫，設(shè)定加熱終點溫度為200℃。浸漬爐自由升溫，期間瀝青熔化，液態(tài)瀝青借助負(fù)壓和碳纖維對其產(chǎn)生的吸附作用，充分進入預(yù)制體內(nèi)部的孔隙中。達(dá)到200℃設(shè)定溫度后保溫1.5h后，通入0.5MPa的Ar2，并在溫度200℃、壓力0.5MPa下繼續(xù)保溫、保壓1.5h，然后關(guān)閉電源、切斷惰性氣體Ar2氣源，自然冷卻至室溫。
經(jīng)過上述工藝處理后，將不銹鋼浸漬罐上端部用不銹鋼蓋板壓住，放入碳化爐中碳化，并在蓋板上鋪一層碳粉。對碳化爐加熱升溫，2h內(nèi)由室溫自然升到250℃并保溫1h；然后以10℃/h的升溫速率從250℃升到350℃保溫1h；以5℃/h的升溫速率從350℃升到450℃保溫2h；以15℃/h的升溫速率從450℃升到600℃保溫1h；以25℃/h的升溫速率從600℃升到800℃保溫2h，溫度曲線參見圖2。整個碳化過程用Ar2氣氛進行保護，Ar2壓力為0.5MPa。
從不銹鋼浸漬罐中取出碳化后的中間相瀝青碳過渡層碳/碳復(fù)合材料，然后放入化學(xué)氣相沉積爐中用化學(xué)氣相滲透法進行沉積，以達(dá)到中間相瀝青過渡層碳/碳復(fù)合材料制成品的密度要求。
實施例3，首先將3K碳布按照70mm×70mm大小進行裁剪，然后疊層并Z向穿刺在一起，制成70mm×70mm×6mm的碳纖維預(yù)制體。
中間相瀝青粉的選取同實施例1。
將上述碳纖維預(yù)制體放在Φ130×120mm的不銹鋼浸漬罐中，用上述中間相瀝青粉包埋預(yù)制體后，放入浸漬爐。
檢查浸漬爐的密封完好后，對浸漬爐抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到5×10-3MPa時，將惰性氣體He2通入浸漬爐置換爐內(nèi)空氣，然后依照上述操作過程對浸漬爐再抽真空一次，以保證浸漬爐內(nèi)殘存氣氛為惰性氣體He2。當(dāng)確認(rèn)浸漬爐內(nèi)為惰性氣氛He2后，對浸漬爐加熱升溫，設(shè)定加熱終點溫度為380℃。浸漬爐自由升溫，期間瀝青熔化，液態(tài)瀝青借助負(fù)壓和碳纖維對其產(chǎn)生的吸附作用，充分進入預(yù)制體內(nèi)部的孔隙中。達(dá)到380℃設(shè)定溫度后保溫1h后，通入1MPa的He2，并在溫度380℃、壓力1MPa下繼續(xù)保溫、保壓1h，然后關(guān)閉電源、切斷惰性氣源，自然冷卻至室溫。
經(jīng)過上述工藝處理后，將不銹鋼浸漬罐上端部用不銹鋼蓋板壓住，放入碳化爐中碳化，并在蓋板上鋪一層碳粉。對碳化爐加熱升溫，2h內(nèi)由室溫自然升到250℃并保溫1h；然后以10℃/h的升溫速率從250℃升到350℃保溫1h；以5℃/h的升溫速率從350℃升到450℃保溫2h；以15℃/h的升溫速率從450℃升到600℃保溫1h；以25℃/h的升溫速率從600℃升到800℃保溫2h，溫度曲線參見圖2。整個碳化過程用He2氣氛進行保護，He2壓力為0.5MPa。
從不銹鋼浸漬罐中取出碳化后的中間相瀝青碳過渡層碳/碳復(fù)合材料，然后放入化學(xué)氣相沉積爐中用化學(xué)氣相滲透法進行沉積，以達(dá)到中間相瀝青過渡層碳/碳復(fù)合材料制成品的密度要求。
實施例4，首先將3K碳布按照90mm×90mm大小進行裁剪，然后疊層并Z向穿刺在一起，制成80mm×80mm×6mm的碳纖維預(yù)制體。
中間相瀝青粉的選取同實施例1。
將上述碳纖維預(yù)制體放在Φ130×120mm的不銹鋼浸漬罐中，用上述中間相瀝青粉包埋預(yù)制體后，放入浸漬爐。
檢查浸漬爐的密封完好后，對浸漬爐抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到5×10-3MPa時，將惰性氣體N2通入浸漬爐置換爐內(nèi)空氣，然后依照上述操作過程對浸漬爐再抽真空一次，以保證浸漬爐內(nèi)殘存氣氛為惰性氣體N2。當(dāng)確認(rèn)浸漬爐內(nèi)為惰性氣氛N2后，對浸漬爐加熱升溫，設(shè)定加熱終點溫度為400℃。浸漬爐自由升溫，期間瀝青熔化，液態(tài)瀝青借助負(fù)壓和碳纖維對其產(chǎn)生的吸附作用，充分進入預(yù)制體內(nèi)部的孔隙中。達(dá)到400℃設(shè)定溫度后保溫0.5h后，通入1MPa的N2，并在溫度400℃、壓力1MPa下繼續(xù)保溫、保壓0.5h，然后關(guān)閉電源、切斷惰性氣源，自然冷卻至室溫。
經(jīng)過上述工藝處理后，將不銹鋼浸漬罐上端部用不銹鋼蓋板壓住，放入碳化爐中碳化，并在蓋板上鋪一層碳粉。對碳化爐加熱升溫，2h內(nèi)由室溫自然升到250℃并保溫1h；然后以10℃/h的升溫速率從250℃升到350℃保溫1h；以5℃/h的升溫速率從350℃升到450℃保溫2h；以15℃/h的升溫速率從450℃升到600℃保溫1h；以25℃/h的升溫速率從600℃升到800℃保溫2h，溫度曲線參見圖2。整個碳化過程用N2氣氛進行保護，N2壓力為1MPa。
從不銹鋼浸漬罐中取出碳化后的中間相瀝青碳過渡層碳/碳復(fù)合材料，然后放入化學(xué)氣相沉積爐中用化學(xué)氣相滲透法進行沉積，以達(dá)到中間相瀝青過渡層碳/碳復(fù)合材料制成品的密度要求。
權(quán)利要求
1.一種碳纖維與熱解碳基體中間相瀝青過渡層復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括下述步驟1)首先將3K碳布按照設(shè)計大小進行裁剪，然后疊層并Z向穿刺在一起，制成碳纖維預(yù)制體，選取中間相含量約占瀝青重量85％的中間相瀝青粉備用；2)將上述碳纖維預(yù)制體放在不銹鋼浸漬罐中，用上述中間相瀝青粉包埋預(yù)制體后，放入浸漬爐；3)對浸漬爐抽真空，并將惰性氣體通入浸漬爐置換爐內(nèi)空氣，對浸漬爐加熱升溫到200～400℃后保溫0.5～1.5h后，通入0.5～1MPa的惰性氣體并繼續(xù)保溫、保壓0.5～1.5h，然后關(guān)閉電源、切斷惰性氣源，自然冷卻至室溫；4)將不銹鋼浸漬罐從浸漬爐中取出，上端部用不銹鋼蓋板壓住，放入碳化爐中，并在不銹鋼蓋板上鋪一層碳粉后，對碳化爐加熱升溫，在2h內(nèi)由室溫自然升到250℃并保溫0.5～1.5h，然后采用不同升溫速率分段升溫、保溫，在250～800℃之間，升溫速率控制在5～25℃/h范圍內(nèi)，每一階段保溫0.5～2.5h，整個碳化過程用惰性氣體進行保護，惰性氣體的壓力為0.5～1MPa；5)從浸漬罐中取出碳化后的中間相瀝青碳過渡層碳/碳復(fù)合材料，然后放入化學(xué)氣相沉積爐中用化學(xué)氣相滲透法進行沉積，制成中間相瀝青過渡層碳/碳復(fù)合材料成品。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳纖維與熱解碳基體中間相瀝青過渡層復(fù)合材料的制備方法。先將碳纖維預(yù)制體放在不銹鋼浸漬罐中，用中間相瀝青粉包埋后放入浸漬爐，在惰性氣氛保護下進行真空浸漬，然后在碳化爐中，在惰性氣氛保護下，采用不同升溫速率分段升溫、保溫，進行碳化，然后放入化學(xué)氣相沉積爐中用化學(xué)氣相滲透法進行沉積，制成中間相瀝青過渡層碳/碳復(fù)合材料成品。由于采用中間相瀝青作為碳/碳復(fù)合材料中碳纖維與熱解碳基體過渡層，在碳纖維與熱解碳基體結(jié)合處形成強度適中的結(jié)合界面，提高了材料的力學(xué)性能。本發(fā)明所用浸漬法制備中間相瀝青過渡層碳/碳復(fù)合材料，與現(xiàn)有技術(shù)相比，制備溫度由800～1300℃降低到600～800℃，不再需要高溫設(shè)備，降低了成本。
文檔編號C04B35/64GK1887806SQ200610104438
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月31日
發(fā)明者李賀軍, 盧錦花, 李克智 申請人:西北工業(yè)大學(xué)