CN101607831A - 一种针刺结构碳/碳复合材料制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种碳/碳复合材料制造工艺，具体涉及一种针刺结构碳/碳复合材料制造工艺。本发明的目的是，提供一种能够采用预氧丝作为预制件原材料的尺寸可控，拉伸强度大的针刺结构碳/碳复合材料制造工艺。它的优点是，通过碳化工艺的精细控制，掌握了预氧丝毡与碳纤维毡在一定比例下混合后，其收缩率与碳化工艺参数之间的关系，并通过碳纤维毡的含量控制，使其对预氧丝碳化过程中的收缩起到一定的限制作用，相当于给预氧丝一个碳化牵引力，从而起到提高材料强度的作用。
Description
技术领域
本发明属于一种碳/碳复合材料制造工艺，具体涉及一种针刺结构碳/碳复合材料制造工艺。
背景技术
碳/碳复合材料主要由预制件增强骨架及基体碳两部分组成。以短切纤维、连续纤维或二者按一定比例混合以编织或模压等形式制成碳/碳制品的形状，作为碳/碳复合材料的增强骨架，这种增强骨架被称为预制件。预制件原料及结构不同，导致材料性能的差异很大。预氧丝作为预制件的原材料，可以大大降低原材料成本，尽管预氧丝更加便宜，但是目前主要还是以碳纤维作为主要原料制造碳/碳复合材料，因为预氧丝在碳化过程中，收缩量比较大，预制件的尺寸变化及变形给材料形状的控制带来很大的麻烦，同时在无牵引力情况下碳化，得到的碳纤维强度明显偏低，导致制备的碳碳/复合材料性能较低，拉伸强度一般只有6～7MPa。
发明内容
本发明的目的是，提供一种能够采用预氧丝作为预制件原材料的尺寸可控，拉伸强度大的针刺结构碳/碳复合材料制造工艺。
本发明是这样实现的，一种针刺结构碳/碳复合材料制造工艺，它包括以下几个步骤，
1)选用PAN基预氧丝毡和PAN基碳纤维毡，按照每四至十层预氧丝毡加一层碳纤维毡的比例进行铺层，直至达到预制件高度要求位置；
2)在每两层二层碳纤维毡之间进行一次针刺；
3)碳化前，在预制件上方压一块平面尺寸略大于预制件的石墨块，重量按其与预制件重量比为0.8∶1；
4)第一次碳化按照如下温度和时间进行：
在室温的状态下，以18-20℃/h的升温速度，升温至300℃，在温度为300℃的状态下，保温2.5h；再以25-28℃/h的升温速度升温至800℃；在温度为800℃的状态下保温3h；碳化过程的全过程采用氮气作为保护气氛；
5)按照传统反复沥青浸渍/碳化工艺复合，反复进行6至8次。
步骤2)中的针刺密度在30～40针/cm2，针刺深度8mm。
步骤4)中碳化过程的全过程可以采用氩气作为保护气氛。
本发明的优点是，通过碳化工艺的精细控制，掌握了预氧丝毡与碳纤维毡在一定比例下混合后，其收缩率与碳化工艺参数之间的关系，并通过碳纤维毡的含量控制，使其对预氧丝碳化过程中的收缩起到一定的限制作用，相当于给预氧丝一个碳化牵引力，从而起到提高材料强度的作用。
附图说明
图1为本发明中所采用的材料结构示意图；
图2为本发明所应用的碳化过程示意图。
图中，1碳纤维毡，2预氧丝毡，3预制件，4石墨块，5碳化炉底座。
具体实施方式
本发明针对预氧丝材料尺寸及强度难以控制这一问题，发明了一种预氧丝纤维毡与短切碳纤维毡按一定比例混合，其中预氧丝毡占重量百分含量的80％，碳纤维毡占重量百分含量的20％，通过针刺使预制体成型，把预制体在新型碳化工艺制度下，进行碳化，实现对材料尺寸的控制及对材料强度的提高。这种制造工艺的优点在于通过碳化工艺的精细控制，掌握了预氧丝毡与碳纤维毡在一定比例下混合后，其收缩率与碳化工艺参数之间的关系，并通过碳纤维毡的含量控制，使其对预氧丝碳化过程中的收缩起到一定的限制作用，相当于给预氧丝一个碳化牵引力，从而起到提高材料强度的作用。
本发明的具体技术方案如下：
第一步，选用PAN基预氧丝(PAN-OF-T700-12K、PAN-OF-T700-24K)毡和PAN基碳纤维(PAN-CF-T700-12K、PAN-CF-T700-24K)毡，按照每四层至十层预氧丝毡加一层碳纤维毡的比例进行铺层；
第二步，每二层碳纤维毡之间进行一次针刺，针刺密度控制在30～40针/cm2，针刺深度8mm，直至达到预制件高度要求位置；
第三步，碳化前，在预制件上方压一块平面尺寸略大于预制件的石墨块，重量按其与预制件重量比为0.8∶1；
第四步，第一次碳化按照如下制度进行，全过程采用氮气或氩气作为保护气氛：
在室温的状态下，以18-20℃/h的升温速度，升温至300℃，在温度为300℃的状态下，保温2.5h；再以25-28℃/h的升温速度升温至800℃；在温度为800℃的状态下保温3h；
第五步，按照传统反复沥青浸渍/碳化工艺复合，反复进行6至8次，可得到密度大于1.80g/cm3，拉伸强度在12MPa～16MPa之间的碳/碳复合材料。
本发明的主要特点在于通过重物及碳纤维毡对预氧丝的收缩进行束缚，起到了类似牵引力的作用，控制材料的尺寸变形的同时，提高了材料力学强度。本发明是一种以预氧丝毡与短切碳纤维薄毡混合铺层针刺成型预制件，通过特殊的碳化及工艺尺寸控制技术，得到一种尺寸可控，拉伸强度大于12MPa的碳/碳复合材料，该材料可以满足常规战术导弹固体火箭发动机的喉衬的使用要求，替代原用的钨渗铜材料，使发动机喉衬部件重量降到原来的1/8，对固体火箭发动机技术的发展意义重大。
Claims (3)
1.一种针刺结构碳/碳复合材料制造工艺，其特征在于：它包括以下几个步骤，
1)选用PAN基预氧丝毡和PAN基碳纤维毡，按照每四至十层预氧丝毡加一层碳纤维毡的比例进行铺层，直至达到预制件高度要求位置；
2)在每两层二层碳纤维毡之间进行一次针刺；
3)碳化前，在预制件上方压一块平面尺寸略大于预制件的石墨块，重量按其与预制件重量比为0.8∶1；
4)第一次碳化按照如下温度和时间进行：
在室温的状态下，以18-20℃/h的升温速度，升温至300℃，在温度为300℃的状态下，保温2.5h；再以25-28℃/h的升温速度升温至800℃；在温度为800℃的状态下保温3h；碳化过程的全过程采用氮气作为保护气氛；
5)按照传统反复沥青浸渍/碳化工艺复合，反复进行6至8次。
2.如权利要求书1所述的一种针刺结构碳/碳复合材料制造工艺，其特征在于：步骤2)中的针刺密度在30～40针/cm2，针刺深度8mm。
3.如权利要求书1或2所述的一种针刺结构碳/碳复合材料制造工艺，其特征在于：步骤4)中碳化过程的全过程可以采用氩气作为保护气氛。
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