CN104402487A - 一种制备气相生长碳纤维/中间相沥青复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用气相生长碳纤维(VGCF)制备低电阻率、高抗弯强度碳/碳复合材料的方法。该制备方法是以VGCF为增强体，中间相沥青为基体，通过低温热模压后，利用炭化-石墨化结合对材料进行高温处理，制得最终的低电阻率、高抗弯强度的碳/碳复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用气相生长碳纤维(Vapor Grow Carbon Fiber，VGCF)制备低电阻率，高热导率碳/碳复合材料的方法，属于碳/碳复合材料制造技术领域。
背景技术
气相生长碳纤维作为一种不规则的超多层碳纳米管材料，一般以过渡族金属(Fe、Co、Ni)及其合金为催化剂，以氢气或者氮气为载气，在100～300℃温度条件下热解析出，它是具有高比强度、高比模量、高结晶取向度、高导热、导电等性能的新型碳材料。他们不仅制备工艺简单，生产成本低，而且有着一般有机系碳纤维达不到的性能和用途。既可作为高性能复合材料的增强体，也可以作为高附加值的功能材料用，具有很大的工业化魅力，被认为是今后极有可能发展前途的高性能、低成本、高附加值的新型短纤维材料。VGCF经高温石墨化处理后，各项物理性能(力学、电学、磁、热等)都更加优越。
由于其具有优良的力学性能、极高的长径比、对基质的良好相容性及轻量特性，被许多研究者用它作为各种复合材料的增强剂，包括气相生长碳纤维与聚合物复合材料的电学性能、气相生长碳纤维/聚合物复合材料的电磁屏蔽效能、气相生长碳纤维/聚合物复合材料的热性能、气相生长碳纤维/聚合物复合材料的热性能等。
中间相沥青是一种典型的碳质中间相原料，其研究是从20世纪60年代末开始的，发展史虽不足50年的时间，但由于它来源丰富、价格低廉、性能优异而被确立为高级炭素材料的优秀母体，即由它可低成本制备许多高性能炭材料，如中间相沥青基炭纤维、中间相炭微球、中间相沥青基泡沫炭等产品，在国防工业、航空航天、尖端科技、日常生活等众多领域发挥着巨大的作用。中间相沥青是一种非常重要的碳纤维前驱物，可以用于生产高技术产品，由其生产得到的沥青基碳纤维是一种新的高性能碳材料。中间相沥青基碳纤维由于高模量、高热导率和电导率等优质特性深受人们的关注。
中间相沥青具有良好的流动性，随着温度升高，中间相沥青的黏度下降，当达到某一温度时黏度最低，然后又很快失去流动性，研究表明沥青的黏度随着温度的升高会呈现软化、平稳流动、固化三个阶段，且中间相沥青的流动具有非牛顿流体的特性。中间相沥青因其黏性小、流变性能好、高取向性和独特的各向异性结构使其成为制备C/C复合材料的优质富碳前驱体。在受热过程中，中间相沥青中的轻组分及裂变的小分子气体从熔融的沥青中扩散，中间相沥青存在固态-熔融态-液态-熔融态-固态的相转变过程，最终焦化、炭化形成复合材料的集体炭。中间相沥青具有高残炭率、高密度、低的密度变化以及易石墨化等优点，是一种较理想的碳/碳复合材料的基体前驱体。由中间相沥青为原料制得的炭素制品(一般需经过进一步炭化和石墨化处理)与一般普通沥青为原料制得的同类产品相比，具有高的强度、密度、导电和导热性能。
本发明针对气相生长碳纤维和中间相沥青的性能和结构，提出一种利用VGCF制备低电阻率、高抗弯强度碳/碳复合材料的方法，此方法要求设备简单，操作成本较低，制作周期短等优点。
发明内容
本发明目的是为了提出一种利用VGCF制备低电阻率、高抗弯强度碳/碳复合材料的方法，该方法对设备要求低，且制备的碳/碳复合材料成型良好，尺寸稳定，电阻率低，抗弯强度高。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种利用VGCF制备低电阻率、高抗弯强度碳/碳复合材料的方法，该方法是以中间相沥青为基体，VGCF为增强体，通过低温热模压成型后，通过炭化、石墨化处理，制得最终的低电阻率、高抗弯强度碳/碳复合材料。该方法的步骤为：
1)粉碎中间相沥青，过100～140目样品筛，按照不同质量配比，称取VGCF和中间相沥青，备用；
2)将VGCF和中间相沥青放入搅拌器中，采用机械搅拌4小时以上，保证VGCF和中间相和沥青充分混合均匀，备用；
3)将步骤2)处理好的混合材料放入热压磨具中进行低温热压；
4)将步骤3)获得的预制体，放入管式炭化炉中，氮气作为保护气体，进行常压炭化处理；
5)将步骤4)处理后的材料放入超高温石墨化炉中进行超高温石墨化处理，即制得低热导率、高抗弯强度的碳/碳复合材料。
上述步骤1)中中间相沥青和VGCF的质量共36g，VGCF所占的质量比重为10％～80％。
上述步骤3)中，低温热模压工艺曲线为：室温～300℃，升温1～2h；300℃保温2～4h；300℃～390℃，升温2～4h；390℃保温2～4h；390℃～150℃升温2～4h；450℃保温2～4h；450℃～550℃升温1～2h，逐渐加压至15～20MPa；550℃保温2～4h，保持压力为15～20MPa，自由降温。
上述步骤4)的炭化工艺曲线为：室温～450℃，5～10℃/min；450℃保温2～4h；450～700℃，1～5℃/min；700℃保温2～4h；700～900℃，1～5℃/min；900℃保温2～4h；自由降温。
上述步骤5)中石墨化处理工艺曲线为：室温～900℃，5～10℃/min；900℃保温2～4h；900～1200℃，5～10℃/min；1200℃保温2～4h；1200～2800℃，3～5℃/min；2800℃保温2～4h；控制降温速率小于5～10℃，1～5℃/min直到温度降至900℃；900℃以下自由降温，完成石墨化处理。
最终制得的碳/碳复合材料的材料具有高抗弯强度，低电阻率的特点。此外此种碳/碳复合材料还具有热导率高、尺寸稳定性好等优点，可进一步拓展碳/碳复合材料的应用领域。
具体实施方式
下面结合实例对本发明作进一步说明。
一种利用VGCF制备低电阻率、高抗弯强度碳/碳复合材料的方法，步骤为：
1)粉碎中间相沥青，过100～140目样品筛，按照不同质量配比，称取VGCF和中间相沥青，备用；
2)将VGCF和中间相沥青放入搅拌器中，采用机械搅拌4小时以上，保证VGCF和中间相和沥青充分混合均匀，备用；
3)将步骤2)处理好的混合材料放入热压磨具中进行低温热模压；
4)将步骤3)获得的预制体，放入管式炭化炉中，氮气作为保护气体，进行常压炭化处理；
5)将步骤4)处理后的材料放入超高温石墨化炉中进行超高温石墨化处理，即制得低热导率、高抗弯强度的碳/碳复合材料。
上述步骤1)中中间相沥青和VGCF的质量共36g，VGCF所占的比例为10％～80％。
上述步骤3)中，低温热模压工艺曲线为：室温～300℃，升温1～2h；300℃保温2～4h；300℃～390℃，升温2～4h；390℃保温2～4h；390℃～450℃升温2～4h；450℃保温2～4h；450℃～550℃升温1～2h，逐渐加压至15～20MPa；550℃保温2～4h，保持压力为15～20MPa，自由降温。
上述步骤4)的炭化工艺曲线为：室温～450℃，5～℃/min；450℃保温2～4h；450～700℃，1～5℃/min；700℃保温2～4h；700～900℃，1～5℃/min；900℃保温2～4h；自由降温。
上述步骤5)中，石墨化处理工艺曲线为：室温～900℃，5～10℃/min；900℃保温2～4h；900～1200℃，5～10℃/min；1200℃保温2～4h；1200～2800℃，3～5℃/min；2800℃保温2～4h；控制降温速率小于5～10℃，1～5℃/min直到温度降至900℃；900℃以下自由降温，完成石墨化处理。
实施例1
1)粉碎中间相沥青，过100～140目样品筛，按照VGCF质量比重为20％，称取VGCF和中间相沥青，备用；
2)将VGCF和中间相沥青放入搅拌器中，采用机械搅拌4小时以上，保证VGCF和中间相沥青和充分混合均匀，备用；
3)按照配比，将混合好的VGCF和中间相沥青混合物缓慢加入自制模具中；
4)根据设定好的升温程序进行低温热模压；
5)将热模压制得的预制体放入管式炭化炉中进行常压炭化处理；
6)将炭化好的样品放入中频炉中进行高温石墨化处理
通过以上步骤得到的碳/碳复合材料密度为，1.83g·cm3，电阻率为2.87×10-5Ω·m，抗弯强度为102MPa。
实施例2
1)粉碎中间相沥青，过100～140目样品筛，按照VGCF质量比重为50％，称取VGCF和中间相沥青，备用；
2)将VGCF和中间相沥青放入搅拌器中，采用机械搅拌4小时以上，保证VGCF和中间相沥青和充分混合均匀，备用；
3)按照配比，将混合好的VGCF和中间相沥青混合物缓慢加入自制模具中；
4)根据设定好的升温程序进行低温热模压；
5)将热模压制得的预制体放入管式炭化炉中进行常压炭化处理；
6)将炭化好的样品放入中频炉中进行高温石墨化处理。
通过以上步骤得到的碳/碳复合材料密度为，1.95g·cm-3，电阻率为0.73×10-5Ω·m，抗弯强度为162MPa。
实施例3
1)粉碎中间相沥青，过100～140目样品筛，按照VGCF质量比重为80％，称取VGCF和中间相沥青，备用；
2)将VGCF和中间相沥青放入搅拌器中，采用机械搅拌4小时以上，保证VGCF和中间相沥青和充分混合均匀，备用；
3)按照配比，将混合好的VGCF和中间相沥青混合物缓慢加入自制模具中；
4)根据设定好的升温程序进行低温热模压；
5)将热模压制得的预制体放入管式炭化炉中进行常压炭化处理；
6)将炭化好的样品放入中频炉中进行高温石墨化处理。
通过以上步骤得到的碳/碳复合材料密度为，1.90g·cm-3，电阻率为3.94×10-5Ω·m，抗弯强度为112MPa。
Claims (3)
1.一种制备气相生长碳纤维/中间相沥青复合材料的方法：
1)将气相生长碳纤维和中间相沥青按照质量配比混合，采用球磨机混合4h以上，得到混合均匀的混合物；
2)将步骤1)的混合物加入热模压模具中进行低温热压；
3)将步骤2)得到的预制体放入管式炭化炉中进行常压炭化；
4)将步骤3)炭化后的样品放入超高温石墨化炉中进行超高温石墨化处理，即得低电阻率、高抗弯强度的碳/碳复合材料。
2.根据权利要求书1所述的一种制备气相生长碳纤维/中间相沥青复合材料的方法，其特征在于：步骤1)混合物中气相生长碳纤维所占的质量比重为10％～80％。
3.根据权利要求书1所述的一种制备气相生长碳纤维/中间相沥青复合材料的方法，其特征在于：步骤2)中，低温热模压工艺曲线为：室温～300℃，升温1～2h；300℃保温2～4h；300℃～390℃，升温2～4h；390℃保温2～4h；390℃～450℃升温2～4h；450℃保温2～4h；450℃～550℃升温1～2h，逐渐加压至l5～20MPa；550℃保温2～4h，保持压力为15～20MPa，自由降温。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN104876580A (zh) * | 2015-04-20 | 2015-09-02 | 航天材料及工艺研究所 | 一种轻质高导热碳基材料的制备方法 |
| CN110524905A (zh) * | 2019-08-21 | 2019-12-03 | 大同新成新材料股份有限公司 | 一种碳碳复合材料模压方法 |
| CN114369475A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-04-19 | 清华大学 | 制备碳化中间相沥青的方法 |
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Application publication date: 20150311 |