CN102351556A - 稀土增韧炭/炭复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种稀土增韧炭/炭复合材料的制备方法，用于解决现有的高强高韧炭/炭复合材料的制备方法致密化周期长的技术问题。技术方案是在炭纤维预制体中掺杂了稀土材料，利用稀土材料加快了前驱体的裂解及浓缩反应，进而促进了炭基体的快速沉积，制备时间由背景技术的80～100小时降低到15～20小时，降低了高强高韧炭/炭复合材料的致密化周期，有效地降低了成本；同时，由于稀土材料的掺杂可改性炭基体-炭纤维界面及炭基体显微组织，提高了炭/炭复合材料沉积态的断裂韧性和机械强度。

Description

稀土增韧炭/炭复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种炭/炭复合材料的制备方法，特别是一种稀土增韧炭/炭复合材料的制备方法。
背景技术
炭/炭复合材料，即炭纤维增强炭基体复合材料，综合了炭素材料耐高温的本质属性及复合材料优异的力学性能，具有比重轻、比强度及热导率高、热稳定性好、耐烧蚀、高温力学及摩擦性能优异等特点，作为一种高温热结构与功能一体的先进复合材料，在航空、航天、核能及交通等领域得到广泛的应用。炭/炭复合材料的断裂行为是影响其作为高温热结构材料力学性能正常发挥的关键。为了防止炭/炭复合材料在服役过程中发生突然性的脆性断裂，往往需进行高温石墨化处理来提高其断裂韧性，但同时又降低了增强体与基体的强度。
文献“专利号是ZL 200910044769.2的中国发明专利”公开了一种高强高韧炭/炭复合材料的制备方法，该方法利用等温化学气相渗透技术，在900～1200℃下热解C3H6增密炭纤维预制体，经80～100小时致密化后得到高强高韧炭/炭复合材料。此方法的控制参数较多，工艺过程复杂，致密化周期长，不利于材料成本的降低。
发明内容
为了克服现有的高强高韧炭/炭复合材料的制备方法致密化周期长的不足，本发明提供一种稀土增韧炭/炭复合材料的制备方法。该方法在炭纤维预制体中掺杂稀土材料，利用稀土材料加快前驱体的裂解及浓缩反应，进而促进炭基体的快速沉积，可以降低高强高韧炭/炭复合材料的致密化周期，有效降低成本；同时，由于稀土材料的掺杂可改性炭基体-炭纤维界面及炭基体显微组织，提高炭/炭复合材料沉积态的断裂韧性和机械强度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种稀土增韧炭/炭复合材料的制备方法，其特点是采用以下步骤：
步骤一、将密度为0.40g/cm3的炭纤维预制体用无水乙醇超声清洗25～35分钟，去除炭纤维上粘附的杂质，取出炭纤维预制体并放入烘箱中100～120℃烘干备用；
步骤二、分别称取5～10wt.％稀土材料和90～95wt.％C2H5OH混合成混合溶液，将经步骤一处理的炭纤维预制体浸入到该混合溶液中，超声振荡2～4小时，取出炭纤维预制体并放入烘箱中80～100℃烘干4～6小时；
步骤三、称取经步骤二处理的炭纤维预制体重量，计算稀土材料的含量，若炭纤维预制体中稀土材料的含量未达到5～10(±0.5)wt.％，则重复步骤二、步骤三，直至稀土材料的含量达到预定值5～10(±0.5)wt.％；
步骤四、将步骤三处理好的炭纤维预制体放置于薄膜沸腾化学气相渗透(FBCVI)炉的沉积室，通过前驱体补给系统加入基体前驱体16～18L，抽真空至1kPa后，以200ml/min的流量向沉积室通氮气至0.1mPa，开启中频电源，在40～60分钟内将沉积区温度升至900～1100℃，经15～20小时连续沉积后得到密度为1.70～1.75g/cm3的稀土增韧炭/炭复合材料。
所述基体前驱体是甲苯或者二甲苯任一种、或者是甲苯和二甲苯的混合物。
所述稀土材料是氯化镧或者氯化铈任一种。
本发明的有益效果是：由于在炭纤维预制体中掺杂了稀土材料，利用稀土材料加快了前驱体的裂解及浓缩反应，进而促进了炭基体的快速沉积，制备时间由背景技术的80～100小时降低到15～20小时，降低了高强高韧炭/炭复合材料的致密化周期，有效地降低了成本；同时，由于稀土材料的掺杂可改性炭基体-炭纤维界面及炭基体显微组织，提高了炭/炭复合材料沉积态的断裂韧性和机械强度。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明方法实施例1所制备的稀土增韧炭/炭复合材料的偏光照片。
图2是本发明方法实施例2所制备的稀土增韧炭/炭复合材料的偏光照片。
偏光照片中，左半幅表示炭纤维束间的显微组织，右半幅表示炭纤维束内的显微组织。
具体实施方式
实施例1：步骤一、将密度为0.40g/cm3的炭纤维预制体用无水乙醇超声清洗30分钟，去除炭纤维上粘附的杂质，取出炭纤维预制体并放入烘箱中100℃烘干备用；
步骤二、分别称取5wt.％的氯化镧(LaCl3)和95wt.％C2H5OH混合成混合溶液，将经步骤一处理的炭纤维预制体浸入到该混合溶液中，超声振荡2小时，取出炭纤维预制体并放入烘箱中80℃烘干6小时；
步骤三、称取经步骤二处理的炭纤维预制体重量，计算氯化镧(LaCl3)的含量，若预制体中氯化镧(LaCl3)的含量未达到5(±0.5)wt.％，则重复步骤二、步骤三，直至氯化镧(LaCl3)的含量达到预定值5(±0.5)wt.％；
步骤四、将步骤三处理好的炭纤维预制体放置于FBCVI炉的沉积室，通过前驱体补给系统加入基体前驱体甲苯16L，抽真空至1kPa后，以200ml/min的流量向沉积室通氮气至0.1mPa，开启中频电源，在40分钟内将沉积区温度升至900℃，经20小时连续沉积后得到密度为1.70g/cm3的稀土增韧炭/炭复合材料。
实施例2：步骤一、将密度为0.40g/cm3的炭纤维预制体用无水乙醇超声清洗25分钟，去除炭纤维上粘附的杂质，取出炭纤维预制体并放入烘箱中110℃烘干备用；
步骤二、分别称取10wt.％氯化铈(CeCl3)和90wt.％C2H5OH混合成混合溶液；将步骤一准备的炭纤维预制体浸入到该混合溶液中，超声振荡3小时，取出炭纤维预制体并放入烘箱中90℃烘干5小时；
步骤三、称取经步骤二处理的炭纤维预制体重量，计算稀土氯化铈(CeCl3)的含量，若炭纤维预制体中氯化铈(CeCl3)的含量未达到10(±0.5)wt.％，则重复步骤二、步骤三，直至氯化铈(CeCl3)的含量达到预定值10(±0.5)wt.％；
步骤四、将步骤三处理好的炭纤维预制体放置于FBCVI炉的沉积室，通过前驱体补给系统加入基体前驱体二甲苯17L，抽真空至1kPa后，以200ml/min的流量向沉积室通氮气至0.1mPa，开启中频电源，在1小时内将沉积区温度升至1100℃，经15小时连续沉积后得到密度为1.75g/cm3的稀土增韧炭/炭复合材料。
实施例3：步骤一、将密度为0.40g/cm3的炭纤维预制体用无水乙醇超声清洗35分钟，去除炭纤维上粘附的杂质，取出炭纤维预制体并放入烘箱中120℃烘干备用；
步骤二、分别称取8wt.％氯化镧(LaCl3)和92wt.％C2H5OH混合成混合溶液，将步骤一准备的炭纤维预制体浸入到该混合溶液中，超声振荡4小时，取出炭纤维预制体并放入烘箱中100℃烘干4小时；
步骤三、称取经步骤二处理的炭纤维预制体重量，计算氯化镧(LaCl3)的含量，若炭纤维预制体中氯化镧(LaCl3)的含量未达到8(±0.5)wt.％，则重复步骤二、步骤三，直至氯化镧(LaCl3)的含量达到预定值8(±0.5)wt.％；
步骤四、将步骤三处理好的炭纤维预制体放置于FBCVI炉的沉积室，通过前驱体补给系统加入基体前驱体甲苯和二甲苯混合物18L，抽真空至1kPa后，以200ml/min的流量向沉积室通氮气至0.1mPa，开启中频电源，在50分钟内将沉积区温度升至1000℃，经18小时连续沉积后得到密度为1.73g/cm3的稀土增韧炭/炭复合材料。
下表列出本发明方法实施例一、实施例二和实施例三所制备稀土增韧炭/炭复合材料的工艺参数和三点弯曲性能。稀土LaCl3掺杂于炭纤维预制体后，炭/炭复合材料的弯曲强度较未掺杂时有较大的提高。由图1、图2可以看出，实施例一和实施例二制备的稀土增韧炭/炭复合材料炭纤维束间的基体主要为粗糙层热解炭，消光角大于18.5°；炭纤维束内的基体主要为光滑层热解炭，消光角为12～16°，并含有少量的各向同性热解炭组织，消光角小于4°。
工艺参数和弯曲性能比较
Figure BSA00000519522400041
测试条件：三点弯曲试样尺寸为55mm×10mm×4mm；跨距为40mm；压头下压速度0.5mm/min，载荷沿垂直于炭纤维叠层方向加载；材料密度为1.70g/cm3。

Claims (1)

1.一种稀土增韧炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于采用以下步骤：
步骤一、将密度为0.40g/cm3的炭纤维预制体用无水乙醇超声清洗25～35分钟，去除炭纤维上粘附的杂质，取出炭纤维预制体并放入烘箱中100～120℃烘干备用；
步骤二、分别称取5～10wt.％稀土材料和90～95wt.％C2H5OH混合成混合溶液，将经步骤一处理的炭纤维预制体浸入到该混合溶液中，超声振荡2～4小时，取出炭纤维预制体并放入烘箱中80～100℃烘干4～6小时；
步骤三、称取经步骤二处理的炭纤维预制体重量，计算稀土材料的含量，若炭纤维预制体中稀土材料的含量未达到5～10(±0.5)wt.％，则重复步骤二、步骤三，直至稀土材料的含量达到预定值5～10(±0.5)wt.％；
步骤四、将步骤三处理好的炭纤维预制体放置于薄膜沸腾化学气相渗透炉的沉积室，通过前驱体补给系统加入基体前驱体16～18L，抽真空至1kPa后，以200ml/min的流量向沉积室通氮气至0.1mPa，开启中频电源，在40～60分钟内将沉积区温度升至900～1100℃，经15～20小时连续沉积后得到密度为1.70～1.75g/cm3的稀土增韧炭/炭复合材料；
所述基体前驱体是甲苯或者二甲苯任一种、或者是甲苯和二甲苯的混合物；
所述稀土材料是氯化镧或者氯化铈任一种。
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