CN103288469A - 碳/碳-碳化锆复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳/碳-碳化锆复合材料的制备方法，用于解决现有技术制备方法制备碳/碳-碳化锆复合材料的成本高以及锆在碳基体中分布不均匀的问题，其技术方案是采用锆改性酚醛树脂溶液为浸渍剂，利用微波水热装置在一定的温度和压力下对碳纤维预制体进行循环浸渍，烘干后进行高温热处理制得碳/碳-碳化锆复合材料。这种工艺制备出的碳/碳-碳化锆复合材料的成本低而且锆在碳基体中分布均匀。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制备方法，特别涉及一种碳/碳-碳化锆复合材料的制备方法。
背景技术
在高温惰性气氛中，C/C复合材料具有比强度和比模量高、导热导电性好、抗热震性好等优点，使其在火箭发动机喉衬、飞行器鼻锥、飞机刹车片等部件得到了广泛应用。但是在有氧气氛中C/C材料在450℃会迅速氧化，从而影响其优异性能。国内外研究表明，在材料中引入难熔金属碳化物能够进一步提高C/C材料耐烧蚀及抗粒子侵蚀性能。ZrC属于典型难熔金属碳化物,是优异的抗烧蚀材料之一。目前将ZrC引入到C/C复合材料中的方法主要有ZrOCl2溶液浸渍法、直接浸渗微粉法、陶瓷浆料涂刷粉末法、反应熔体浸渗法等。采用ZrOCl2溶液浸渍转化效率很低,并且存在腐蚀设备等缺点；反应熔体浸渗法，制备成本高同时对材料有一定的损伤；直接浸渗微粉法和浆料涂刷法是较为经济的方法,但是由于ZrC微粉的密度较大,料浆的悬浮性及浸渗均匀性难以保证。目前，常采用的是前驱体浸渍裂解法，该方法能够解决陶瓷颗粒分布不均的问题，但是该方法所使用的的前驱体的合成比较困难而且制备成本较高。
发明内容
为了克服现有技术制备的成本高，均匀性难以控制等缺点，本发明提供一种碳/碳-碳化锆复合材料的制备方法，采用自制的锆改性酚醛树脂，利用微波水热装置，通过浸渍裂解工艺制备碳/碳-碳化锆复合材料。由于锆改性酚醛树脂的制备成本低，锆以原子尺度连接在树脂分子链中，且微波水热法进行浸渍的操作简单、成本低、效率高，从而有效地解决了制备该复合材料成本高以及锆在碳基体中分散不均匀的问题。
一种碳/碳-碳化锆复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将5-15g的锆改性酚醛树脂溶于10-20ml乙醇中，超声处理10-30min，制得均一的锆改性酚醛树脂溶液；所诉锆改性酚醛树脂的锆含量为0-20wt%质量分数；
步骤2：将碳纤维预制体浸入锆酚醛树脂溶液中，放入微波水热反应釜中，在35-75℃下，保温20-45min，进行浸渍后取出晾干；
步骤3：重复2-5次步骤3后，将预制体取出并放入烘箱中160-200℃下保温5-15min，然后将其在1500-2000℃保护气氛下处理1-2h，得到碳/碳-碳化锆复合材料。
在步骤2中采取延长保温为20-45min的2-5倍，以取消替代步骤3。
所述锆改性酚醛树脂采用申请号为201310078858.5的，名称为一种锆改性酚醛树脂及其制备方法的技术方案制备。
所述的碳纤维预制体的初始密度为0.4-1.5g/cm3的碳毡或者碳/碳复合材料。
本发明的显著优点在于：采用锆改性酚醛树脂作为前驱体，利用微波水热装置进行浸渍，高温热处理后制得碳/碳-碳化锆复合材料。制备该锆改性酚醛树脂的成本低，锆以原子尺度连接在树脂分子链中，且微波水热法的操作简单、成本低、浸渍效率高，从而能够有效地解决制备该复合材料成本高以及锆在碳基体中分散不均匀的问题。
附图说明
图1是碳/碳-碳化锆复合材料的制备流程图；
图2是所制备的锆含量为15wt%锆改性酚醛树脂与普通酚醛树脂的红外光谱图；
图3是实施例三所制备的碳纤维预制体浸渍并烘干后的截面图与能谱图；
图4是实施例三所制备的碳纤维预制体高温热处理后的截面图与能谱图；
图5是1500℃高温热处理后树脂的XRD图。
具体实施方式
实施例一：
（1）制备锆含量为5wt%的锆改性酚醛树脂，将锆引入酚醛树脂的大分子链中，作为浸渍用的前驱体。
（2）取步骤1制得的锆改性酚醛树脂15g，溶于10ml乙醇中，超声处理5min，制得均一的锆改性酚醛树脂溶液。
（3）将初始密度为0.4g/cm3的碳纤维预制体浸入步骤2制得的锆酚醛树脂溶液中，放入微波水热反应釜中，70℃下保温30min，进行浸渍。
（4）重复操作步骤3，循环浸渍3次后，将预制体放入烘箱中，190℃下保温10min，然后将其1500℃下保护气氛中热处理2h，即得碳/碳-碳化锆复合材料。
实施例二：
（1）制备锆含量为10wt%的锆改性酚醛树脂，将锆引入酚醛树脂的大分子链中，作为浸渍用的前驱体。
（2）取步骤1制得的锆改性酚醛树脂15g，溶于20ml乙醇中，超声处理15min，制得均一的锆改性酚醛树脂溶液。
（3）将初始密度为0.8g/cm3的碳纤维预制体浸入步骤2制得的锆酚醛树脂溶液中，放入微波水热反应釜中，60℃下保温35min，进行浸渍。
（4）重复操作步骤3，循环浸渍3次后，将预制体放入烘箱中，190℃下保温10min，然后将其1500℃下保护气氛中热处理2h，即得碳/碳-碳化锆复合材料。
实施例三：
（1）制备锆含量为15wt%的锆改性酚醛树脂，将锆引入酚醛树脂的大分子链中，作为浸渍用的前驱体。
（2）取步骤1制得的锆改性酚醛树脂10g，溶于15ml乙醇中，超声处理30min，制得均一的锆改性酚醛树脂溶液。
（3）将初始密度为1.2g/cm3的碳纤维预制体浸入步骤2制得的锆酚醛树脂溶液中，放入微波水热反应釜中，50℃下保温40min，进行浸渍。
（4）重复操作步骤3，循环浸渍3次后，将预制体放入烘箱中，190℃下保温10min，然后将其1500℃下保护气氛中热处理2h，即得碳/碳-碳化锆复合材料。
本发明制备的碳/碳-碳化锆复合材料很好地解决了该材料制备成本高以及锆在碳基体中分布不均匀的问题。由图1可以看出，本发明所使用的前驱体为锆改性酚醛树脂，锆已成功地引入到了酚醛树脂的分子链中。由图4可以看出，循环浸渍3次后，树脂被引入到预制体的内部，均匀地填充了预制体的孔隙，可以看出锆元素均匀的分布在树脂基体中。由图5可以看出，热处理后，锆均匀地分布在碳基体中，主要以碳化锆的形式存在。
Claims (4)
1.一种碳/碳-碳化锆复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将5-15g的锆改性酚醛树脂溶于10-20ml乙醇中，超声处理10-30min，制得均一的锆改性酚醛树脂溶液；所诉锆改性酚醛树脂的锆含量为0-20wt%质量分数；
步骤2：将碳纤维预制体浸入锆酚醛树脂溶液中，放入微波水热反应釜中，在35-75℃下，保温20-45min，进行浸渍后取出晾干；
步骤3：重复2-5次步骤3后，将预制体取出并放入烘箱中160-200℃下保温5-15min，然后将其在1500-2000℃保护气氛下处理1-2h，得到碳/碳-碳化锆复合材料。
2.根据权利要求1所述的碳/碳-碳化锆复合材料的制备方法，其特征在于：在步骤2中采取延长保温为20-45min的2-5倍，以取消替代步骤3。
3.根据权利要求1或2所述的碳/碳-碳化锆复合材料的制备方法，其特征在于：所述锆改性酚醛树脂采用申请号为201310078858.5的，名称为一种锆改性酚醛树脂及其制备方法的技术方案制备。
4.根据权利要求1或2所述的碳/碳-碳化锆复合材料的制备方法，其特征在于：所述的碳纤维预制体的初始密度为0.4-1.5g/cm3的碳毡或者碳/碳复合材料。
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