CN101671187B - 一种高性能炭基复合材料性能的调控方法 - Google Patents
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Abstract
一种高性能炭基复合材料性能的调控方法，该方法有三大步骤：步骤一：选初始密度为0.40g/cm3～0.60g/cm3炭基复合材料炭纤维预制体，作为原材料，放入快速定向渗积炉内；步骤二：对其实施化学气相渗积快速制备技术工艺，使炭基复合材料的密度为1.70g/cm3～1.80g/cm3，热解炭的结构为均一粗糙层热解炭；步骤三：在渗积炉中，对密度为1.70g/cm3～1.80g/cm3的炭基复合材料进行化学气相定向渗积处理并升温至2300℃～2400℃，高温热处理保温2小时。经过本方法性能调控的炭基复合材料，石墨化度在40％～80％，力学性能适中，韧性、热物理和摩擦磨损性能好，非常适合作为飞机刹车盘和火箭整流罩等高温结构件，在航空航天领域具有广泛的实用价值和应用前景。
Description
所属领域
本发明涉及一种材料性能调控技术，特别是涉及一种高性能炭基复合材料性能的调控方法，属于炭基复合材料技术领域。
背景技术
炭基复合材料由于其在高温下具有高比强度及比模量、良好的耐烧蚀性能、热物理性能、摩擦磨损性能等，已被成功地用于战略核武器的导弹鼻锥、火箭发动机的喷管喉衬、航天飞机的鼻锥和机翼前缘以及飞机刹车盘等军事、航空航天领域。
通过调整、控制炭基复合材料各组元及整体的石墨化状态、程度，可以赋予炭基复合材料不同的综合性能。固体碳经过1800℃以上高温处理后碳的乱层结构部分或全部转变为石墨结构。炭基复合材料的石墨化度只由高温处理时所达到的最高温度决定，在等温条件下，维持到一定时间后就不再变化；石墨化处理温度越高，这一驰豫时间越短。高温热处理是炭基复合材料制备过程中非常重要的工序，随着热处理温度的升高，材料的导热、导电能力增强，摩擦磨损性能得到改善，但是力学性能降低。通常对于炭纤维，随着处理温度提高，强度先升高后降低，转折温度约为1900℃，而对于炭基复合材料，石墨化处理使得热解炭基体复合材料弯曲强度和模量降低。炭基复合材料的干态平均动摩擦系数随着石墨化处理温度的升高而逐渐降低，而湿态平均动摩擦系数和干态静摩擦系数则由小变大。炭基复合材料由于应用的领域不同而对其性能的要求也有较大的差异，通过调整热处理温度可以获得最佳性能的材料。
发明内容
1、目的：为了克服现有技术在高性能炭基复合材料性能控制技术方面的不足，本发明的目的是提供一种高性能炭基复合材料性能的调控方法，它在最短的时间以最低的成本实现炭基复合材料各项性能(包括力学、热物理和摩擦磨损等性能)的最优调控。
2、技术方案：本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高性能炭基复合材料性能的调控方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：选初始密度为0.40g/cm3～0.60g/cm3炭基复合材料炭纤维预制体，作为原始加工材料，放入快速定向渗积炉内；
步骤二：实施化学气相渗积快速制备技术工艺，(此工艺有另一专利申请)使炭基复合材料的密度为1.70g/cm3～1.80g/cm3，热解炭的结构为均一粗糙层热解炭。步骤三：在快速定向渗积炉中，对密度为1.70g/cm3～1.80g/cm3的炭基复合材料进行化学气相定向渗积处理并升温至2300℃～2400℃，高温热处理保温2小时。
其中，所述步骤三中的化学气相定向渗积处理，是在快速定向渗积炉内以0～1200℃自由升温并抽真空，真空度为-0.1MPa；
其中，所述步骤三中的化学气相定向渗积处理，是在快速定向渗积炉内的温度到达1200℃时，通入压力为40kPa～60kPa的氩气；
其中，所述步骤三中的化学气相定向渗积处理，是在快速定向渗积炉内以1200℃～1800℃进行程序升温，升温速率为200℃/h～300℃/h；
其中，所述步骤三中的化学气相定向渗积处理，是在快速定向渗积炉内以1800℃保温1h进行处理；
其中，所述步骤三中的化学气相定向渗积处理，是在快速定向渗积炉内以1800℃～2300℃/2400℃进行程序升温，升温速率为150℃/h～200℃/h。
3、优点及效果：本发明一种高性能炭基复合材料性能的调控方法，它是通过不同阶段的程序控温，控制不同阶段热解炭结构的相转变，实现炭基复合材料内热解炭和炭纤维有效相转变，有效避免因热处理导致炭纤维和热解炭界面结合减弱使得炭基复合材料性能下降。经过性能调控的炭基复合材料石墨化度在40％～80％，力学性能适中，韧性、热物理和摩擦磨损性能好，非常适合作为飞机刹车盘和火箭整流罩等高温结构件，在航空航天领域具有广泛的应用价值。
具体实施方式：
本发明一种高性能炭基复合材料性能的调控方法，它的具体实施例如下：
实施例1：
本发明一种高性能炭基复合材料性能的调控方法，它的具体实施步骤如下：
(1)选初始密度为0.50g/cm3炭基复合材料炭纤维预制体，作为原始加工材料，放入快速定向渗积炉内；
(2)实施化学气相渗积快速制备技术工艺，炭基复合材料快速定向渗积后的密度为1.75g/cm3，热解炭结构为均一粗糙层结构；
(3)将快速定向渗积的炭基复合材料放入高温热处理炉内，抽真空至真空表的压力为-0.1MPa，自由升温至1200℃，冲入氩气，热处理炉内压力达到50kPa，200℃程序升温至1800℃，保温1小时，150℃程序升温至2400℃，保温2小时。本实施例所制备的准三维针刺炭基复合材料经过英国英斯特朗公司生产的Instron 5565电子万能试验机测试，弯曲强度达到165MPa，在MM-1000型摩擦试验机上测试的动摩擦系数为0.32，静摩擦系数为0.17。
实施例2：
本发明一种高性能炭基复合材料性能的调控方法，它的具体实施步骤如下：
(1)选初始密度为0.55g/cm3炭基复合材料炭纤维预制体，作为原始加工材料，放入快速定向渗积炉内；
(2)实施化学气相渗积快速制备技术工艺，炭基复合材料快速定向渗积后的密度为1.80g/cm3，热解炭结构为均一粗糙层结构；
(3)将快速定向渗积的炭基复合材料放入高温热处理炉内，抽真空至真空表的压力为-0.1MPa，自由升温至1200℃，冲入氩气，热处理炉内压力达到50kPa，250℃程序升温至1800℃，保温1小时，200℃程序升温至2300℃，保温2小时。本实施例所制备的准三维针刺炭基复合材料经过英国英斯特朗公司生产的Instron 5565电子万能试验机测试，弯曲强度达到170MPa，在MM-1000型摩擦试验机上测试的动摩擦系数为0.35，静摩擦系数为0.18。
Claims (1)
1.一种高性能炭基复合材料性能的调控方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一：选初始密度为0.40 g/cm3～0.60g/cm3炭基复合材料炭纤维预制体，作为原始加工材料，放入快速定向渗积炉内；
步骤二：在快速定向渗积炉内实施化学气相渗积快速制备技术工艺，使炭基复合材料的密度为1.70 g/cm3～1.80 g/cm3，热解炭的结构为均一粗糙层热解炭；
步骤三：在快速定向渗积炉中，对密度为1.70 g/cm3～1.80 g/cm3的炭基复合材料进行化学气相定向渗积处理并升温至2300℃～2400℃，高温热处理保温2小时；
其中：步骤三中所述的化学气相定向渗积处理，是在快速定向渗积炉内以0～1200℃自由升温并抽真空，真空度为-0.1MPa；当快速定向渗积炉内的温度到达1200℃时，通入压力为40kPa～60kPa的氩气；当快速定向渗积炉内的温度从1200℃升温到1800℃时，升温速率为200℃/h～300℃/h，保温1h；当快速定向渗积炉内的温度从1800℃升温到2300℃/2400℃时，升温速率为150℃/h～200℃/h。
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| 曲建伟.高温热处理对炭_炭复合材料湿态摩擦性能的影响.《炭素技术》.2003,(第6期),第17-22页. * |
| 李强 等.ECVI工艺制备C/C复合材料热物理性能.《炭素技术》.2008,第27卷(第3期),第36-38页. * |
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