CN105218134B - 碳纤维增韧碳化硅复合材料板及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及碳纤维增韧碳化硅复合材料板及其制备方法与应用，采用碳纤维表面除胶与活化、3D纤维编织、表面热解碳沉积、浸渍胶体制备、浸渍与裂解、反应烧结等步骤制备得到碳纤维增韧碳化硅复合材料板。与现有技术相比，本发明通过将长碳纤维进行3D编织，引入Z向纤维克服了2D复合材料层间性能低的缺点，提高了厚度方向的力学性能；通过气相沉积在碳纤维表面形成热解碳作为复合材料界面，热解炭界面层被用来传递整个材料的受力以及其他信息，起到“桥梁”与“纽带”的作用；在浸渍胶液中加入短碳纤维，提高复合材料界面的结合力，使得复合材料的强度更高。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料，尤其是涉及一种碳纤维增韧碳化硅复合材料板及其制备方法与应用。
背景技术
磁悬浮列车作为一种新型的交通系统，由于其高速与便利性，被全球各个国家竞相关注。然而综合考虑造价成本、运输能力、能耗等，中低速磁悬浮列车是城市交通的最好选择。磁悬浮列车不同于传统的有轨列车，它是通过磁力将列车浮起、导向和驱动，因此在运行时，产生的噪音很小、振动小并且舒适性好。随着城市轨道交通路线的造价逐渐升高，中低速磁悬浮列车的优势在慢慢体现出来。
磁悬浮列车是通过磁力驱动，因此没有传统的车轮，然而磁悬浮列车有一个重要的部件-滑橇，其作用不光是承受列车包括列车上所有乘客和行李的重量，滑橇还用于列车在紧急制动时，保证列车在轨道上安全滑行，因此对其性能要求很高。对于磁悬浮列车滑橇用材料的报道大多是关于高速磁悬浮列车滑橇，其关键零件材料是碳纤维复合材料板，对于中低速磁悬浮列车滑橇用材料的报道基本没有。
由于列车是通过磁力进行浮起和驱动，因此列车上各部件需要进行轻量化设计，滑橇用材料也需要尽量轻量化；列车在运行过程中，会承受列车自身重量以及浮沉过程中的压缩冲击和压缩疲劳，因此材料需要具有高的抗压强度；在滑行过程中，会产生磨损和升温，因此材料需要具备低的摩擦系数、低的热膨胀系数、良好的导热性能以及好的高温强度。
申请号为200410084324.4的中国专利公布了一种磁浮列车滑橇用碳纤复合材料、制造方法和应用。该碳纤复合材料板的组织结构芯部是均一碳/碳纤两相复合结构，表层则是碳/碳纤/碳化硅三相梯度复合材料，碳纤复合材料板密度为1.65-1.72，其抗压强度154～171MPa，层间剪切强度为11.5～13.2MPa。可用于制备磁浮列车滑橇用碳纤复合材料板和刹车片。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种碳纤维增韧碳化硅复合材料板及其制备方法与应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种碳纤维增韧碳化硅复合材料板的制备方法，包括以下步骤：
(1)碳纤维表面除胶与活化：为了增强碳纤维表面活性，使得碳纤维更好的与碳化硅复合，需要对碳纤维进行表面处理，方法为：连续碳纤维依次采用去离子水超声清洗、浓硝酸浸泡处理以及浓硝酸超声清洗；
(2)3D纤维体编织：对除胶与活化处理后的连续碳纤维进行3D编织，在传统二维编织的方法上引入Z向纤维，得到厚度为20mm的3D碳纤维编织体；
(3)表面热解碳沉积：将3D碳纤维编织体放入沉积炉中进行气相沉积，得到沉积完成的编织体；
(4)浸渍胶液制备：以聚碳硅烷、二乙烯基苯、四氢呋喃及已进行表面热解碳沉积的短碳纤维为主要成分制备浸渍胶；
(5)浸渍与裂解：将3D碳纤维编织体在浸渍胶中浸渍后，升温固化，再高温裂解，制得复合材料板坯体；
(6)反应烧结：在复合材料板坯体表面涂覆过量的硅粉，然后进行烧结，得到碳纤维增韧碳化硅复合材料板。
步骤(3)中，进行气相沉积的工艺条件为：1000℃-1100℃沉积炉保温2-3h、然后以1-1.5m3/h的速度通入丙烷进行气相沉积10-11小时，沉积结束后程序降温，再自由降温至室温。
步骤(4)中，聚碳硅烷、二乙烯基苯、四氢呋喃及已进行表面热解碳沉积的短碳纤维质量配比为1:0.1:1:(0.9-1.1)。
步骤(4)中，所述的短碳纤维采用与步骤(3)相同的热解碳沉积工艺处理。
步骤(5)中，3D碳纤维编织体在浸渍胶中浸渍的程序为：3D碳纤维编织体浸渍、取出、擦净胶液、通风橱通风，再次浸渍、取出、擦净胶液、通风橱通风，反复进行三次浸渍。
步骤(5)中，将3D碳纤维编织体在浸渍胶中浸渍后，放入55-65℃烘箱保温40-50min，其中多次打开烘箱门，使得四氢呋喃挥发充分，升温至130℃保温50-60min，升温至170-180℃保温3.5-4.5h，固化完成后送入1100-1200℃裂解炉裂解两天，程序降温，自由降温，制得复合材料板坯体。
步骤(6)中，烧结的温度为1500-1700℃，烧结时间为2.5-3.5h。
采用上述制备方法制得的碳纤维增韧碳化硅复合材料板。
碳纤维增韧碳化硅复合材料板用于制造中低速磁悬浮列车滑橇。
碳化硅陶瓷由于具有高硬度、高强度、耐热冲击、低电导率、低热膨胀系数、耐化学腐蚀和低密度等特点而被广泛应用于金属和有机高分子材料不能满足的工况条件下，并且成为非常理想的高温工程结构陶瓷及耐磨陶瓷。然而由于碳化硅陶瓷断裂韧性低限制了其应用与发展。碳纤维增韧补强碳化硅基复合材料能够最大限度抑制陶瓷缺陷的体积效应，有效偏折裂纹和最终纤维拔出来消耗断裂能，从而发挥纤维的增韧和补强的作用，同时具有碳化硅原有的一系列优良性能。
碳纤维增韧碳化硅基复合材料的性能主要取决于碳纤维与碳化硅基间的界面结合状态、各物相间比例、纤维排列方式和纤维的有效长度等。本发明从纤维表面改性和物象比例入手，发明出一种新型的碳纤维增韧碳化硅复合材料。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
1、通过将长碳纤维进行3D编织，由于3D编织的基本单元的纤维束有四个方向(二维两向，Z向上，Z向下)，也就是说，纤维束在空间上可以均衡地向四个方向延伸，从力学角度来看，这种结构均衡具有良好的综合力学性能指标。另外，在编织过程中还可以沿立方体单元的三个正方向加筋，用来增强某一个或两个方向的强度和刚度，这样很好地发挥了复合材料可设计性的优点。因此引入Z向纤维克服了2D复合材料层间性能低的缺点，提高了厚度方向的力学性能。
2、通过气相沉积在碳纤维表面形成热解碳作为复合材料界面，热解炭界面层被用来传递整个材料的受力以及其他信息，起到“桥梁”与“纽带”的作用。
3、在浸渍胶液中加入短碳纤维，与连续纤维相比，短纤维的分布具有随机取向性，能在多个方向上与基体相互作用，提高结合力，使得复合材料的强度更高。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
采用碳纤维采用日本东丽公司生产的T700-12K连续碳纤维和PAN纤维，首先将碳纤维进行表面除胶和活化处理：在60℃去离子水中超声处理1.5h；在60℃浓硝酸浸泡处理1h；以及在60℃将60％浓硝酸(化学纯)超声处理1.5h，去除纤维表面的胶体和有机粘结剂，处理完成后将碳纤维清洗至中性,再于80℃真空下烘干直至质量恒定。
对表面处理过后的T700-12K连续碳纤维进行3D编织，引入Z向纤维，编织成厚度为20mm的纤维编织块；将PAN纤维短切成长度为3mm的短碳纤维；将3D碳纤维编织体放入1000℃沉积炉中保温2h，保温2h后，以1m3/h的速度通入丙烷进行气相沉积10h，沉积结束后，先让沉积炉进行程序控制降温，而后自由降温至室温，打开沉积炉，取出沉积完成的编织体，此时纤维编织体表面已经形成一层热解碳，以同样步骤对短碳纤维进行表面热解碳沉积。
浸渍胶液制备，主要成分为聚碳硅烷(PCS)、二乙烯基苯(DVB)、四氢呋喃(THF)与短碳纤维(已沉积热解碳)，质量配比为1:0.1:1:0.9。具体操作为：在室温下将称取好的THF溶液放置于玻璃容器内，然后将PCS粉末倒入装有THF的容器内，直至倒入玻璃容器中的PCS质量与THF溶液质量相等，再用样品袋或塑料薄膜将玻璃容器口密封，让整个容器在通风橱中静置20min，等到溶液中PCS粉末完全溶于THF中，并呈现黄褐色澄清状后，再将称量好的DVB溶液倒入玻璃容器中，最后将一定质量的短纤维加入，通过水浴加热磁力搅拌使溶液混合均匀，最后静置1h，从而配置好浸渍胶液。将3D碳纤维编织体浸入盛有浸渍胶液的浸胶槽中，将3D碳纤维编织体的一边缓缓浸入胶液，再将另一边缓缓放入，使得浸胶液沿着碳纤维方向缓慢漫过纤维，尽量减少浸渍过程对碳纤维造成的物理损伤。让编织体在浸渍胶液中浸渍10min，使得浸渍胶液可以充分浸入纤维之间，然后取出编织体，用纱布将编织体表面的胶液擦干净，并在通风柜中通风10min后，再次将编织体浸入浸胶槽，按照同样步骤反复3次浸渍，使得浸渍充分，将风干后的编织体放入55℃的烘箱保温40min(保温期间，多次短暂打开烘箱门，让溶剂THF挥发充分，防止爆炸)，40min保温完成之后，调高烘箱温度至130℃保温50min，50min保温完成后，继续调高烘箱温度至170℃保温3.5h，从而完成固化过程，然后将整个编织体送入1100℃高温裂解炉进行裂解2天，裂解完成后程序降温，然后自由降温，制备出复合材料板坯体，放置通风处干燥12h。将干燥过后的坯体，表面涂覆过量的硅粉，送入烧结炉，设置温度为1500℃，保温时间为2.5h，烧结完成后自由降温，取出复合板，即碳纤维增韧碳化硅复合材料板。
实施例2
采用碳纤维采用日本东丽公司生产的T700-12K连续纤维和PAN纤维，首先将碳纤维进行表面除胶和活化处理:在60℃去离子水中超声处理1.5h；在60℃浓硝酸浸泡处理1h；以及在60℃将60％浓硝酸(化学纯)超声处理1.5h，去除纤维表面的胶体和有机粘结剂，处理完成后将碳纤维清洗至中性,再于80℃真空下烘干直至质量恒定。
对表面处理过后的T700-12K连续碳纤维进行3D编织，引入Z向纤维，编织成厚度为20mm的纤维编织块；将PAN纤维短切成长度为3mm的短碳纤维；将3D碳纤维编织体放入1050℃沉积炉中保温2.5h，保温2.5h后，以1.25m3/h的速度通入丙烷进行气相沉积10.5h，沉积结束后，先让沉积炉进行程序控制降温，而后自由降温至室温，打开沉积炉，取出沉积完成的编织体，此时纤维编织体表面已经形成一层热解碳，以同样步骤对短碳纤维进行表面热解碳沉积。
浸渍胶液制备，主要成分为聚碳硅烷(PCS)、二乙烯基苯(DVB)、四氢呋喃(THF)与短碳纤维(已沉积热解碳)，质量配比为1:0.1:1:1。具体操作为：在室温下将称取好的THF溶液放置于玻璃容器内，然后将PCS粉末倒入装有THF的容器内，直至倒入玻璃容器中的PCS质量与THF溶液质量相等，再用样品袋或塑料薄膜将玻璃容器口密封，让整个容器在通风橱中静置20min，等到溶液中PCS粉末完全溶于THF中，并呈现黄褐色澄清状后，再将称量好的DVB溶液倒入玻璃容器中，最后将一定质量的短纤维加入，通过水浴加热磁力搅拌使溶液混合均匀，最后静置1h，从而配置好浸渍胶液。将3D碳纤维编织体浸入盛有浸渍胶液的浸胶槽中，将3D碳纤维编织体的一边缓缓浸入胶液，再将另一边缓缓放入，使得浸胶液沿着碳纤维方向缓慢漫过纤维，尽量减少浸渍过程对碳纤维造成的物理损伤。让编织体在浸渍胶液中浸渍10min，使得浸渍胶液可以充分浸入纤维之间，然后取出编织体，用纱布将编织体表面的胶液擦干净，并在通风柜中通风10min后，再次将编织体浸入浸胶槽，按照同样步骤反复4次浸渍，使得浸渍充分，将风干后的编织体放入60℃的烘箱保温45min(保温期间，多次短暂打开烘箱门，让溶剂THF挥发充分，防止爆炸)，45min保温完成之后，调高烘箱温度至130℃保温50min，50min保温完成后，继续调高烘箱温度至175℃保温4h，从而完成固化过程，然后将整个编织体送入1150℃高温裂解炉进行裂解2天，裂解完成后程序降温，然后自由降温，制备出复合材料板坯体，放置通风处干燥12h。将干燥过后的坯体，表面涂覆过量的硅粉，送入烧结炉，设置温度为1600℃，保温时间为3h，烧结完成后自由降温，取出复合板，即碳纤维增韧碳化硅复合材料板。
实施例3
采用碳纤维采用日本东丽公司生产的T700-12K连续纤维和PAN纤维，首先将碳纤维进行表面除胶和活化处理:在60℃去离子水中超声处理1.5h；在60℃浓硝酸浸泡处理1h；以及在60℃将60％浓硝酸(化学纯)超声处理1.5h，去除纤维表面的胶体和有机粘结剂，处理完成后将碳纤维清洗至中性,再于80℃真空下烘干直至质量恒定。
对表面处理过后的T700-12K连续碳纤维进行3D编织，引入Z向纤维，编织成厚度为20mm的纤维编织块；将PAN纤维短切成长度为3mm的短碳纤维；将3D碳纤维编织体放入1100℃沉积炉中保温3h，保温3h后，以1.5m3/h的速度通入丙烷进行气相沉积11h，沉积结束后，先让沉积炉进行程序控制降温，而后自由降温至室温，打开沉积炉，取出沉积完成的编织体，此时纤维编织体表面已经形成一层热解碳，以同样步骤对短碳纤维进行表面热解碳沉积。
浸渍胶液制备，主要成分为聚碳硅烷(PCS)、二乙烯基苯(DVB)、四氢呋喃(THF)与短碳纤维(已沉积热解碳)，质量配比为1:0.1:1:1.1。具体操作为：在室温下将称取好的THF溶液放置于玻璃容器内，然后将PCS粉末倒入装有THF的容器内，直至倒入玻璃容器中的PCS质量与THF溶液质量相等，再用样品袋或塑料薄膜将玻璃容器口密封，让整个容器在通风橱中静置20min，等到溶液中PCS粉末完全溶于THF中，并呈现黄褐色澄清状后，再将称量好的DVB溶液倒入玻璃容器中，最后将一定质量的短纤维加入，通过水浴加热磁力搅拌使溶液混合均匀，最后静置1h，从而配置好浸渍胶液。将3D碳纤维编织体浸入盛有浸渍胶液的浸胶槽中，将3D碳纤维编织体的一边缓缓浸入胶液，再将另一边缓缓放入，使得浸胶液沿着碳纤维方向缓慢漫过纤维，尽量减少浸渍过程对碳纤维造成的物理损伤。让编织体在浸渍胶液中浸渍10min，使得浸渍胶液可以充分浸入纤维之间，然后取出编织体，用纱布将编织体表面的胶液擦干净，并在通风柜中通风10min后，再次将编织体浸入浸胶槽，按照同样步骤反复5次浸渍，使得浸渍充分，将风干后的编织体放入65℃的烘箱保温50min(保温期间，多次短暂打开烘箱门，让溶剂THF挥发充分，防止爆炸)，50min保温完成之后，调高烘箱温度至130℃保温60min，60min保温完成后，继续调高烘箱温度至180℃保温4h，从而完成固化过程，然后将整个编织体送入1200℃高温裂解炉进行裂解2天，裂解完成后程序降温，然后自由降温，制备出复合材料板坯体，放置通风处干燥12h。将干燥过后的坯体，表面涂覆过量的硅粉，送入烧结炉，设置温度为1700℃，保温时间为3.5h，烧结完成后自由降温，取出复合板，即碳纤维增韧碳化硅复合材料板。
因为滑橇主要用于车体的支撑和制动，其抗压强度和层间剪切强度十分重要。传统的中低速磁悬浮列车滑橇用碳纤维增韧碳化硅复合材料板的抗压强度为154～171MPa，层间剪切强度为11.5～13.2MPa，而实施例1-3的中低速磁悬浮列车滑橇用碳纤维增韧碳化硅复合材料板的抗压强度为180～210MPa，层间剪切强度为13.5～15.5Mpa，明显优于传统滑橇复合板性能。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种碳纤维增韧碳化硅复合材料板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)碳纤维表面除胶与活化：连续碳纤维依次采用去离子水超声清洗、浓硝酸浸泡处理以及浓硝酸超声清洗；
(2)3D纤维体编织：对除胶与活化处理后的连续碳纤维进行3D编织，得到3D碳纤维编织体；
(3)表面热解碳沉积：将3D碳纤维编织体放入沉积炉中进行气相沉积，得到沉积完成的编织体；
(4)浸渍胶液制备：以聚碳硅烷、二乙烯基苯、四氢呋喃及已进行表面热解碳沉积的短碳纤维为主要成分制备浸渍胶；
(5)浸渍与裂解：将3D碳纤维编织体在浸渍胶中浸渍后，升温固化，再高温裂解，制得复合材料板坯体；
(6)反应烧结：在复合材料板坯体表面涂覆过量的硅粉，然后进行烧结，得到碳纤维增韧碳化硅复合材料板；
步骤(4)中，聚碳硅烷、二乙烯基苯、四氢呋喃及已进行表面热解碳沉积的短碳纤维质量配比为1:0.1:1:(0.9-1.1)，步骤(4)中，所述的短碳纤维采用与步骤(3)相同的热解碳沉积工艺处理。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增韧碳化硅复合材料板的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，进行气相沉积的工艺条件为：
1000℃-1100℃沉积炉保温2-3h、然后以1-1.5m3/h的速度通入丙烷进行气相沉积10-11小时，沉积结束后程序降温，再自由降温至室温。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维增韧碳化硅复合材料板的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，3D碳纤维编织体在浸渍胶中浸渍的程序为：3D碳纤维编织体浸渍、取出、擦净胶液、通风橱通风，再次浸渍、取出、擦净胶液、通风橱通风，反复进行三次浸渍。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维增韧碳化硅复合材料板的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，将3D碳纤维编织体在浸渍胶中浸渍后，放入55-65℃烘箱保温40-50min，其中多次打开烘箱门，使得四氢呋喃挥发充分，升温至130℃保温50-60min，升温至170-180℃保温3.5-4.5h，固化完成后送入1100-1200℃裂解炉裂解两天，程序降温，自由降温，制得复合材料板坯体。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维增韧碳化硅复合材料板的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，烧结的温度为1500-1700℃，烧结时间为2.5-3.5h。
6.采用权利要求1所述制备方法制得的碳纤维增韧碳化硅复合材料板。
7.如权利要求6所述的碳纤维增韧碳化硅复合材料板用于制造中低速磁悬浮列车滑橇。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |