CN102838370A - 一种低碳化温度的碳/碳复合材料基体前驱体 - Google Patents

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吴立新
卓东贤
马林
翁子骧
王睿
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Abstract

本发明涉及一种新型低碳化温度的碳/碳复合材料基体前驱体组合物。按重量计，它包括100份的糖类物质，0.01~100份含磷化合物及0~200份的水。该组合物采用具有酸源作用的含磷化合物作为液相浸渍碳/碳复合材料的前驱体组成之一，具有制备与成炭工艺简单、原料来源广、环境友好、适用性广、生产成本低廉、成炭效率高等优点。

Description

一种低碳化温度的碳/碳复合材料基体前驱体
技术领域
本发明涉及一种低碳化温度的碳/碳复合材料基体前驱体组合物，属于化工技术领域。
背景技术
碳-碳复合材料是指以碳纤维作为增强体，以碳作为基体的一类复合材料。它作为碳纤维复合材料家族的一个重要成员，具有密度低、高比强度比模量、高热传导性、低热膨胀系数、断裂韧性好、耐磨、耐烧蚀等特点，尤其是其在高温环境下，其强度随着温度的升高，不仅不会降低反而有所升高，这是其它任何材料所无可比拟的，使其在航空刹车片、航天飞机热防护和火箭喷管等领域获得了广泛的应用；同时碳-碳复合材料根据需要可制成不同结构、规格、结构的碳-碳复合材料制品，适用于航空、航天、冶金、汽车、核工业及其它工业领域。
目前，根据碳-碳复合材料致密化工艺所采用的基体前驱体的类型，碳-碳复合材料的制作工艺主要有两种方法：化学气相渗透法（CVI）法和液相浸渍-碳化法。CVI 法存在制备周期长、成本高、原料气的利用率低、基体碳的微观结构不稳定、材料的致密度低，并存在密度梯度等缺点，从而限制了其在大范围内的推广使用。液相浸渍-碳化法以热塑性沥青或热固性树脂为基体前驱体，这些原料在高温下发生一系列复杂化学变化而转化为基体碳。这种方法所用原料低廉、设备简单、制作周期短，已成为碳-碳复合材料研究的一个热点。
就液相浸渍-碳化法而言，其前驱体的组成和结构十分重要，它不仅影响致密化效率与碳-碳复合材料的生产效率，而且也影响碳-碳复合材料的机械性能和物理性能。现有的研究工作主要以热塑性沥青或酚醛树脂等热固性树脂为前驱体，但存在着一些不足，主要表现在：1）上述前驱体均需在超过1000℃的无氧气氛中重复碳化，进而导致碳-碳复合材料的制备工艺繁琐，成本高；2）为了降低前驱体化合物的粘度，液相浸渍-碳化法往往需要大量使用有机溶剂，这显然不适应环保意识不断增强的环境友好型材料的发展；3）上述前驱体均来源于石油、煤炭、天然气等不可再生能源，这显然不符合日益紧缺的全球化能源危机和日趋严峻的环保问题对新材料提出的发展要求。因此，如何降低前驱体的成炭温度与粘度、提供“绿色环保”的新型前驱体一直是液相浸渍-碳化法制备碳-碳复合材料所亟待解决的关键课题之一。
糖类物质是一种含多羟基（2个或2个以上）的醛类（Aldehyde）或酮类（Ketone）化合物，在水解后能变成以上两者之一的有机化合物。在美国专利“Low-temperature densification of carbon fiber preforms by impregnation and pyrolysis of sugars”（5882726）中，公开了一种利用糖类物质制备碳-碳复合材料，具有原料来源广、制备工艺简单、适用性广、生产成本低廉、碳化温度低且无需高压绝氧等优点；但同样存在成炭效率低、炭化过程中易产生气泡等问题。
针对现有液相浸渍碳的前驱体所存在的问题，提供一种原料来源广、制备工艺简单、适用性广、生产成本低廉、成炭效率高的液相浸渍碳的前驱体组合物，从而解决碳-碳复合材料所亟待解决的关键问题，具有十分重要的应用价值和学术意义。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种原料来源广、制备工艺简单、适用性广、生产成本低廉、成炭效率高的液相浸渍碳的前驱体组合物，从而解决碳-碳复合材料所亟待解决的关键问题。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：提供一种新型液相浸渍碳的前驱体组合物，其特征在于：按重量计，它包括100份的糖类物质，0.001~100份含磷化合物及0~200份的水。
所述的一种低碳化温度的碳/碳复合材料基体前驱体组合物，其特征在于：所述糖类物质为果糖、蔗糖、葡萄糖、麦芽糖、核糖、半乳糖、棉籽糖等糖类物质中的一种，或者它们的组合。
所述的一种低碳化温度的碳/碳复合材料基体组合物，其特征在于：所述含磷化合物为磷酸、磷酸铵、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、磷酸钠、三聚磷酸钠、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、多聚磷酸、六偏磷酸钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢铵、聚磷酸铵中的一种，或者它们的组合。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：
1．本发明采用含磷化合物作液相浸渍碳的前驱体的组成之一，其独特的酸源作用，不仅能够赋予糖类物质高的成炭效率，而且能够有效地解决糖类物质在炭化过程中易产生气泡的难题；
2．本发明所公开的液相浸渍碳的前驱体组合物具有制备与成炭工艺简单、原料来源广、环境友好、适用性广、生产成本低廉、成炭效率高等特点，能够解决碳-碳复合材料所亟待解决的关键问题。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例1
按重量比，将100g果糖与0.001g磷酸铵于110℃条件下混合均匀，即得液相浸渍碳的前驱体组合物。
实施例2
按重量比，将100g棉籽糖、100g三聚磷酸钠及200g水于室温条件下混合均匀，即得液相浸渍碳的前驱体组合物。
实施例3
按重量比，将100g蔗糖及2g磷酸于190℃条件下混合均匀，即得液相浸渍碳的前驱体组合物。
实施例4
按重量比，将30g葡萄糖、70g麦芽糖及5g磷酸二氢钾于150℃条件下混合均匀，即得液相浸渍碳的前驱体组合物。
实施例5
按重量比，将60g核糖、40g半乳糖、5g磷酸二氢钠及2g磷酸氢二钠于180℃条件下混合均匀，即得液相浸渍碳的前驱体组合物。
实施例5
按重量比，将100g核糖、2g磷酸钠及1g磷酸氢二铵于100℃条件下混合均匀，即得液相浸渍碳的前驱体组合物。
实施例6
按重量比，将75g核糖、25g麦芽糖、4g多聚磷酸及3g磷酸氢二钾于110℃条件下混合均匀，即得液相浸渍碳的前驱体组合物。
实施例7
按重量比，将100g蔗糖、4g六偏磷酸钠及3g磷酸二氢铵于190℃条件下混合均匀，即得液相浸渍碳的前驱体组合物。
实施例8
按重量比，将100g蔗糖、4g聚磷酸铵及40g水于室温条件下混合均匀，即得液相浸渍碳的前驱体组合物。

Claims (3)

1.一种低碳化温度的碳/碳复合材料基体前驱体组合物，其特征在于：按重量计，它包括100份的糖类物质，0.001~100份含磷化合物及0~200份的水。
2.根据权利要求1所述的一种低碳化温度的碳/碳复合材料基体前驱体组合物，其特征在于：所述糖类物质为果糖、蔗糖、葡萄糖、麦芽糖、核糖、半乳糖、棉籽糖等糖类物质中的一种，或者它们的组合。
3.根据权利要求1所述的一种低碳化温度的碳/碳复合材料基体前驱体组合物，其特征在于：所述含磷化合物为磷酸、磷酸铵、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、磷酸钠、三聚磷酸钠、磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、多聚磷酸、六偏磷酸钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢铵、聚磷酸铵中的一种，或者它们的组合。
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