CN105859303A - 一种碳/碳复合材料预制体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种碳/碳复合材料预制体，按照重量比计算，由40‑70%的短碳纤维和余量的纳米碳胶组成，短碳纤维长度为6‑12mm。本发明还提供了上述预制体的制备方法，把短碳纤维分散在聚氧化乙烯和羟丙基甲基纤维素醚分散水溶液中；用静置法去除分散液；加热干燥得到碳纤维预制体；真空浸渍法把苯酚‑间甲酚‑糠醛‑乙酰氯的正丙醇溶液浸渍到碳纤维预制体中，加热原位聚合形成酚醛基纳米胶，干燥挥发正丙醇得到酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体；最后碳化得到纳米碳胶增强短碳纤维预制体。本发明的制备方法不需昂贵的长碳纤维、也不需复杂的编织成型工艺、操作方便、周期短、成本低、性能优异，易于工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于材料学领域，涉及一种碳材料，具体来说是一种碳/碳复合材料预制体及其制备方法。
背景技术
碳/碳复合材料的首次出现是于1958年在chance voguht航空公司实验室偶然得到的。由于这种材料具有重量轻、模量高、比强度大、良好的机械性能、耐热性、耐腐蚀性、磨擦减振特性及热、电传导特性等一系列优点，在航空、航天、核能、医学和民用等领域，具有良好的应用前景。
预制体作为碳/碳复合材料制备的前提和基础，不但会影响材料的增密速度和过程，也会影响最终材料的各种性能。针对材料在生产使用时特定的需求，可以设计预制体的尺寸、密度、结构和孔隙大小分布等各种性能。由于纤维的交织和取向特点决定了材料的最终性能，因此预制体的成型工艺格外重要。
碳/碳复合材料预制体可以划分为机织结构预制体、针织结构预制体、非织造结构预制体或编织结构预制体等，各种结构的预制体能够满足实际应用中不同的如厚度、结构、性能方面的需求。机织结构预制体由于经纬纱线交错，排列紧密，结合强度大，不易被破坏，在在经纬两个方向上都有着良好的结构稳定性，弹性很小，不易变形，在预制体的厚度方向上则有很高的纤维含量；针织结构预制体在各方向上都具有较大的伸缩性，弹性较大，拉伸性能较好，适合生产和应用中对拉伸性能要求较高的材料，如锥套、三通和带法兰的套管等；编织结构预制体包括二维编织结构预制体和三维编织预制体等，三维编织预制体在实际生产中应用较多，但编织时织物的幅宽、厚度和形状等都要受到机器尺寸的限制，材料成本较高，材料的密度不容易控制，编织工艺复杂；非织造结构预制体的制备工艺周期最短，碳纤维短纤或长丝之间不用织造，而是直接排列成需要的结构和厚度，然后经各种机械或其他方法直接成型，成型之后可根据使用需求切割成多需大小和形状，而不会影响预制体的性能。由于上述这些优点，非织造结构预制体生产速度快，相对成本较低，在各领域中应用越来越广泛。非织造结构预制体的孔径分布可设计性强，抗压缩强度高，拉伸性能好，结构可紧密可疏松，可创新性强。非织造结构预制体的缺点是其制备的复合材料剪切性能不如其他的有纱线交织的复合材料，受力时易出现分层。虽然需要制备较高性能的复合材料，或者是性能可设计性的复合材料时，非织造结构预制体并不是最好的选择。但其制备速度快和成本低的优势是压倒性的，这也是非织造材料优于其他结构预制体的最重要的特点。也因此，越来越多的学者开始研究对这种预制体的改进措施，如在制备过程中混入能增加界面性能的填料等。采用的是碳纤维无规则排列成网，碳纤维排列疏松，纤维间孔隙较大，这种结构有利于反应气体的向内疏松，保证热解碳在材料内部的沉积；则将材料每一层相互联结在一起，使材料层间剪切性能提高，不易剪切分层破坏。(Hongyu Wang,Dongmei Zhu,Feng Wan,et al.Influence of the C/C preform density on tribological characteristics of C/C–SiCcomposites under different conditions[J].Ceramics International,2014,40(10):16641-16646；Uwe Beier,Felipe Wolff-Fabris,Frank Fischer,et al.Mechanicalperformance of carbon fibre-reinforced composites based on preforms stitched withinnovative low-melting temperature and matrix soluble thermoplastic yarns[J].Composites,2008,39(9):1572–1581；张洁.变密度预制体C/C复合材料的制备及其性能研究[D]:[硕士学位论文].无锡：江南大学，2014)
目前，在实际生产应用中，碳/碳复合材料的预制体主要有无纬布叠层预制体、碳纤维模压预制体和三维编织预制体等。无纬布叠层预制体中纤维呈二维排列，垂直方向上没有纤维加固，因此层间剪切强度较弱，且垂直方向的热导率差；碳纤维模压预制体纤维排列疏松，纤维体积分数较小，材料成型之后受力易破坏，压缩性能和弯曲性能尤为弱，材料强度较低内，不能满足对强度有较高需求的复合材料；三维编织法制备长纤维多孔预制体时，缠绕或编织过程可能会造成纤维的磨损或断丝，引起预制体质量的降低，三维编织预制体的制备成本较高，预制体内孔隙很大，不适于采用化学气相渗透(CVI)法致密到较高密度材料。(刘海平，田广来，范尚武，等.“三明治”型预制体结构对C/C刹车材料CVI工艺的影响[J].航空制造技术，2011，1(2):143-147)
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种碳/碳复合材料预制体的制备方法，所述的这种碳/碳复合材料预制体的制备方法要解决现有技术中制备碳/碳复合材料预制体的方法编制过程复杂、成本高的技术问题。
本发明提供了一种碳/碳复合材料预制体的制备方法，按照重量比计算，由40-70％的短碳纤维和余量的纳米碳胶组成，短碳纤维长度为6-12mm。
本发明还提供了上述的一种碳/碳复合材料预制体的制备方法，包括以下步骤：
(1)首先配制分散液，分散液中的分散剂为聚氧化乙烯和甲基羟丙基纤维素醚，聚氧化乙烯和甲基羟丙基纤维素醚和蒸馏水的重量比为1:1:2000，然后把长度为6-12mm的短碳纤维加入到分散液中，短碳纤维和分散液的重量比为0.5-1.5:400，把上述混合物在磁力搅拌器中搅拌6-8h，把短碳纤维均匀分散在分散液中，搅拌转速为600-1000转/分钟；
(2)把上述混合物倾倒入一个容器中，容器的几何形状根据预制体的形状确定，静置，使短碳纤维沉降，把上层清液吸出；
(3)把上述容器放置在干燥箱中，在100～120℃下烘干，得到初步成型的短碳纤维预制体；
(4)配制苯酚-间甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液，在搅拌的状态下，在正丙醇中，依次加入间甲酚，苯酚，糠醛和乙酰氯，所述的间甲酚、苯酚、糠醛、乙酰氯和正丙醇的质量比为1:2.63:7.16:0.43:35.52；然后，把(3)所得含有短碳纤维预制体的容器抽真空至压力0.01MPa，把所配制的正丙醇溶液通过导管吸入所述的容器中，其中配制的正丙醇溶液需浸没短碳纤维预制体，真空条件下浸渍3～9h；再把该容器在水浴锅中加热至70～90℃，进行原位聚合反应，并在该温度下保持2～5天；最后，打开所述的容器盖子，在35～50℃下加热挥发正丙醇，得到酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体。
(5)把(4)所得酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体放置在碳化炉中，在氮气保护下，加热到800～950℃，并保持在该温度下碳化1～4h，得到纳米碳胶增强碳纤维预制体。
进一步的，所述步骤(2)中的短碳纤维沉降时间是0.5h。
进一步的，所述步骤(4)中，真空浸渍压力为0.01MPa，浸渍时间为6h。
进一步的，所述步骤(4)中原位聚合反应的温度是80℃，时间为3天。
进一步的，所述步骤(4)中挥发正丙醇的温度为40℃。
进一步的，所述步骤(5)中采用在氮气保护下，碳化温度为850℃，时间为3h。
本发明采用短碳纤维，用原位聚合的方法将酚醛基纳米胶引入短碳纤维预制体内部，碳化后转化为纳米碳胶，把短碳纤维粘结起来，形成三维连续的纳米碳骨架，纳米碳胶相当于“焊料”把短碳纤维焊接起来，因此，所制备的预制体等同于使用了连续碳纤维。这样，避免了连续碳纤维预制体制备过程中需要复杂的编织工艺和连续碳纤维昂贵的缺点。此外，纳米碳胶形成的孔隙是开放性的，完全满足沥青液相浸渍和化学气相沉积致密化碳/碳复合材料对孔隙开放性的要求。碳纳米骨架也有利于碳/碳复合材料强度和韧性的提高。
本发明预制体以碳纤维为主，避免编织的复杂和成本过高，使用的浸渍剂是酚醛基纳米胶，但是使用凝胶的目的并不是用作前驱体，而是用作增强体填补预制体的孔洞。凝胶浸渍预制体设备简单、工艺周期短、成本较低，同时可以避免材料内闭孔的形成，可有效地得到高密度的碳/碳复合材料，为其制造、批量生产和应用开辟了广阔的前景。
本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明制备碳/碳复合材料预制体的方法不需昂贵的长碳纤维，不需复杂的编织成型工艺，操作方便，周期短，成本低，性能优异，易于工业化生产。
附图说明
图1是实施例1的所得纳米碳胶的SEM图。
图2是实施例2的所得纳米碳胶的SEM图。
图3是实施例3的所得纳米碳胶的SEM图。
图4是实施例4的所得纳米碳胶的SEM图。
图5是实施例5的所得纳米碳胶的SEM图。
图6是实施例6的所得纳米碳胶的SEM图。
图7是实施例7的所得纳米碳胶的SEM图。
图8是实施例8的所得纳米碳胶的SEM图。
图9是实施例9的所得纳米碳胶的SEM图。
图10是实施例1-9的所用的一种碳/碳复合材料预制体材料用凝胶真空浸渍的装置示意图，图中所示，1真空干燥器，2分液漏斗，3真空表，4真空泵。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步阐述，但并不限制本发明。
本发明所用的干燥设备为上海一恒科学仪器有限公司的DHG-9245A型电热鼓风干燥箱。
本发明所用的碳化炉为上海意丰电炉有限公司的YFX12/12Q-GC型竖式碳化炉。
本发明所用的扫描电子显微镜为FEI公司的Quanta 200FEG型的扫描式电子显微镜。
本发明所用的各种原料的规格及生产厂家如下表：
实施例1
(1)首先配制分散液，分散液中的分散剂聚氧化乙烯、甲基羟丙基纤维素醚和蒸馏水的重量比为1:1:2000，然后把长度为6mm的短碳纤维加入到分散液中，二者的重量比为1:400，其中短碳纤维的重量为9g，最后把上述混合物在磁力搅拌器中搅拌8h把短碳纤维均匀分散在分散液中，搅拌转速为800转/分钟；
(2)把上述混合物倾倒入一定几何形状的容器中，容器的几何形状根据预制体的形状确定，静置0.5h使短碳纤维沉降，把上层清液吸出；
(3)把上述容器放置在干燥箱中，在110℃下烘干10h，得到初步成型的短碳纤维预制体8.79g；
(4)搅拌下在200g的正丙醇中，依次加入间甲酚5.63g，苯酚14.87g，糠醛40.34g和乙酰氯2.38g，间甲酚：苯酚：糠醛：乙酰氯：正丙醇的质量比为1:2.63:7.16:0.43:35.52，加完之后继续搅拌0.5h，配制苯酚-间甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液；把(3)所得含有短碳纤维预制体的容器抽真空至压力0.01MPa，把所配制的正丙醇溶液通过导管吸入该容器中，其中配制的正丙醇溶液需浸没样品，真空条件下浸渍6h；再把该容器在水浴锅中加热至80℃，进行原位聚合反应，并在该温度下保持3天；打开该容器盖子，在40℃下加热挥发正丙醇得到酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体。
(5)把(4)所得酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体放置在碳化炉中，在氮气保护下，加热到850℃，并保持在该温度下碳化3h，得到纳米碳胶增强碳纤维预制体。
上述纳米碳胶增强碳纤维预制体中短碳纤维为9g，纳米碳胶为16.67g，按照重量比计算，所得预制体由54％的短碳纤维和余量的纳米碳胶组成，短碳纤维长度为6mm。
实施例2
(1)首先配制分散液，分散液中的分散剂聚氧化乙烯、甲基羟丙基纤维素醚和蒸馏水的重量比为1:1:2000，然后把长度为6mm的短碳纤维加入到分散液中，二者的重量比为0.5:400，其中短碳纤维的重量为4.5g，最后把上述混合物在磁力搅拌器中搅拌6h把短碳纤维均匀分散在分散液中，搅拌转速为600转/分钟；
(2)把上述混合物倾倒入一定几何形状的容器中，容器的几何形状根据预制体的形状确定，静置0.5h使短碳纤维沉降，把上层清液吸出；
(3)把上述容器放置在干燥箱中，在110℃下烘干10h，得到初步成型的短碳纤维预制体；
(4)搅拌下在200g的正丙醇中，依次加入间甲酚5.63g，苯酚14.87g，糠醛40.34g和乙酰氯2.38g，间甲酚：苯酚：糠醛：乙酰氯：正丙醇为1:2.63:7.16:0.43:35.52，加完之后继续搅拌0.5h，配制苯酚-间甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液；把(3)所得含有短碳纤维预制体的容器抽真空至压力0.01MPa，把所配制的正丙醇溶液通过导管吸入该容器中，其中配制的正丙醇溶液需浸没样品，真空条件下浸渍6h；再把该容器在水浴锅中加热至80℃，进行原位聚合反应，并在该温度下保持3天；打开该容器盖子，在40℃下加热挥发正丙醇得到酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体。
(5)把(4)所得酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体放置在碳化炉中，在氮气保护下，加热到850℃，并保持在该温度下碳化3h，得到纳米碳胶增强碳纤维预制体。
上述纳米碳胶增强碳纤维预制体中短碳纤维为4.5g，纳米碳胶为11.25g，按照重量比计算，所得预制体由40％的短碳纤维和余量的纳米碳胶组成，短碳纤维长度为6mm。
实施例3
(1)首先配制分散液，分散液中的分散剂聚氧化乙烯、甲基羟丙基纤维素醚和蒸馏水的重量比为1:1:2000，然后把长度为9mm的短碳纤维加入到分散液中，二者的重量比为1:400，其中短碳纤维的重量为9g，最后把上述混合物在磁力搅拌器中搅拌7h把短碳纤维均匀分散在分散液中，搅拌转速为600转/分钟；
(2)把上述混合物倾倒入一定几何形状的容器中，容器的几何形状根据预制体的形状确定，静置0.5h使短碳纤维沉降，把上层清液吸出；
(3)把上述容器放置在干燥箱中，在110℃下烘干10h，得到初步成型的短碳纤维预制体；
(4)搅拌下在200g的正丙醇中，依次加入间甲酚5.63g，苯酚14.87g，糠醛40.34g和乙酰氯2.38g，间甲酚：苯酚：糠醛：乙酰氯：正丙醇为1:2.63:7.16:0.43:35.52，加完之后继续搅拌0.5h，配制苯酚-间甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液；把(3)所得含有短碳纤维预制体的容器抽真空至压力0.01MPa，把所配制的正丙醇溶液通过导管吸入该容器中，其中配制的正丙醇溶液需浸没样品，真空条件下浸渍6h；再把该容器在水浴锅中加热至80℃，进行原位聚合反应，并在该温度下保持3天；打开该容器盖子，在40℃下加热挥发正丙醇得到酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体。
(5)把(4)所得酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体放置在碳化炉中，在氮气保护下，加热到850℃，并保持在该温度下碳化3h，得到纳米碳胶增强碳纤维预制体。
上述纳米碳胶增强碳纤维预制体中短碳纤维为9g，纳米碳胶为16.98g，按照重量比计算，所得预制体由53％的短碳纤维和余量的纳米碳胶组成，短碳纤维长度为9mm。
实施例4
(1)首先配制分散液，分散液中的分散剂聚氧化乙烯、甲基羟丙基纤维素醚和蒸馏水的重量比为1:1:2000，然后把长度为12mm的短碳纤维加入到分散液中，二者的重量比为1.5:400，其中短碳纤维的重量为13.5g，最后把上述混合物在磁力搅拌器中搅拌8h把短碳纤维均匀分散在分散液中，搅拌转速为600转/分钟；
(2)把上述混合物倾倒入一定几何形状的容器中，容器的几何形状根据预制体的形状确定，静置0.5h使短碳纤维沉降，把上层清液吸出；
(3)把上述容器放置在干燥箱中，在110℃下烘干10h，得到初步成型的短碳纤维预制体；
(4)搅拌下在200g的正丙醇中，依次加入间甲酚5.63g，苯酚14.87g，糠醛40.34g和乙酰氯2.38g，间甲酚：苯酚：糠醛：乙酰氯：正丙醇为1:2.63:7.16:0.43:35.52，加完之后继续搅拌0.5h，配制苯酚-间甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液；把(3)所得含有短碳纤维预制体的容器抽真空至压力0.01MPa，把所配制的正丙醇溶液通过导管吸入该容器中，其中配制的正丙醇溶液需浸没样品，真空条件下浸渍6h；再把该容器在水浴锅中加热至80℃，进行原位聚合反应，并在该温度下保持3天；打开该容器盖子，在40℃下加热挥发正丙醇得到酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体。
(5)把(4)所得酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体放置在碳化炉中，在氮气保护下，加热到850℃，并保持在该温度下碳化3h，得到纳米碳胶增强碳纤维预制体。
上述纳米碳胶增强碳纤维预制体中短碳纤维为13.5g，纳米碳胶为19.29g，按照重量比计算，所得预制体由70％的短碳纤维和余量的纳米碳胶组成，短碳纤维长度为12mm。
实施例5
(1)首先配制分散液，分散液中的分散剂聚氧化乙烯、甲基羟丙基纤维素醚和蒸馏水的重量比为1:1:2000，然后把长度为9mm的短碳纤维加入到分散液中，二者的重量比为1.5:400，其中短碳纤维的重量为13.5g，最后把上述混合物在磁力搅拌器中搅拌6h把短碳纤维均匀分散在分散液中，搅拌转速为800转/分钟；
(2)把上述混合物倾倒入一定几何形状的容器中，容器的几何形状根据预制体的形状确定，静置0.5h使短碳纤维沉降，把上层清液吸出；
(3)把上述容器放置在干燥箱中，在110℃下烘干10h，得到初步成型的短碳纤维预制体；
(4)搅拌下在200g的正丙醇中，依次加入间甲酚5.63g，苯酚14.87g，糠醛40.34g和乙酰氯2.38g，间甲酚：苯酚：糠醛：乙酰氯：正丙醇为1:2.63:7.16:0.43:35.52，加完之后继续搅拌0.5h，配制苯酚-间甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液；把(3)所得含有短碳纤维预制体的容器抽真空至压力0.01MPa，把所配制的正丙醇溶液通过导管吸入该容器中，其中配制的正丙醇溶液需浸没样品，真空条件下浸渍6h；再把该容器在水浴锅中加热至80℃，进行原位聚合反应，并在该温度下保持3天；打开该容器盖子，在40℃下加热挥发正丙醇得到酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体。
(5)把(4)所得酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体放置在碳化炉中，在氮气保护下，加热到850℃，并保持在该温度下碳化3h，得到纳米碳胶增强碳纤维预制体。
上述纳米碳胶增强碳纤维预制体中短碳纤维为13.5g，纳米碳胶为21.09g，按照重量比计算，所得预制体由64％的短碳纤维和余量的纳米碳胶组成，短碳纤维长度为9mm。
实施例6
(1)首先配制分散液，分散液中的分散剂聚氧化乙烯、甲基羟丙基纤维素醚和蒸馏水的重量比为1:1:2000，然后把长度为12mm的短碳纤维加入到分散液中，二者的重量比为0.5:400，其中短碳纤维的重量为4.5g，最后把上述混合物在磁力搅拌器中搅拌7h把短碳纤维均匀分散在分散液中，搅拌转速为800转/分钟；
(2)把上述混合物倾倒入一定几何形状的容器中，容器的几何形状根据预制体的形状确定，静置0.5h使短碳纤维沉降，把上层清液吸出；
(3)把上述容器放置在干燥箱中，在110℃下烘干10h，得到初步成型的短碳纤维预制体；
(4)搅拌下在200g的正丙醇中，依次加入间甲酚5.63g，苯酚14.87g，糠醛40.34g和乙酰氯2.38g，间甲酚：苯酚：糠醛：乙酰氯：正丙醇为1:2.63:7.16:0.43:35.52，加完之后继续搅拌0.5h，配制苯酚-间甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液；把(3)所得含有短碳纤维预制体的容器抽真空至压力0.01MPa，把所配制的正丙醇溶液通过导管吸入该容器中，其中配制的正丙醇溶液需浸没样品，真空条件下浸渍6h；再把该容器在水浴锅中加热至80℃，进行原位聚合反应，并在该温度下保持3天；打开该容器盖子，在40℃下加热挥发正丙醇得到酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体。
(5)把(4)所得酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体放置在碳化炉中，在氮气保护下，加热到850℃，并保持在该温度下碳化3h，得到纳米碳胶增强碳纤维预制体。
上述纳米碳胶增强碳纤维预制体中短碳纤维为4.5g，纳米碳胶为7.89g，按照重量比计算，所得预制体由57％的短碳纤维和余量的纳米碳胶组成，短碳纤维长度为12mm。
实施例7
(1)首先配制分散液，分散液中的分散剂聚氧化乙烯、甲基羟丙基纤维素醚和蒸馏水的重量比为1:1:2000，然后把长度为12mm的短碳纤维加入到分散液中，二者的重量比为1:400，其中短碳纤维的重量为9g，最后把上述混合物在磁力搅拌器中搅拌6h把短碳纤维均匀分散在分散液中，搅拌转速为1000转/分钟；
(2)把上述混合物倾倒入一定几何形状的容器中，容器的几何形状根据预制体的形状确定，静置0.5h使短碳纤维沉降，把上层清液吸出；
(3)把上述容器放置在干燥箱中，在110℃下烘干10h，得到初步成型的短碳纤维预制体；
(4)搅拌下在200g的正丙醇中，依次加入间甲酚5.63g，苯酚14.87g，糠醛40.34g和乙酰氯2.38g，间甲酚：苯酚：糠醛：乙酰氯：正丙醇为1:2.63:7.16:0.43:35.52，加完之后继续搅拌0.5h，配制苯酚-间甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液；把(3)所得含有短碳纤维预制体的容器抽真空至压力0.01MPa，把所配制的正丙醇溶液通过导管吸入该容器中，其中配制的正丙醇溶液需浸没样品，真空条件下浸渍6h；再把该容器在水浴锅中加热至80℃，进行原位聚合反应，并在该温度下保持3天；打开该容器盖子，在40℃下加热挥发正丙醇得到酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体。
(5)把(4)所得酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体放置在碳化炉中，在氮气保护下，加热到850℃，并保持在该温度下碳化3h，得到纳米碳胶增强碳纤维预制体。
上述纳米碳胶增强碳纤维预制体中短碳纤维为9g，纳米碳胶为13.43g，按照重量比计算，所得预制体由67％的短碳纤维和余量的纳米碳胶组成，短碳纤维长度为12mm。
实施例8
(1)首先配制分散液，分散液中的分散剂聚氧化乙烯、甲基羟丙基纤维素醚和蒸馏水的重量比为1:1:2000，然后把长度为6mm的短碳纤维加入到分散液中，二者的重量比为1.5:400，其中短碳纤维的重量为13.5g，最后把上述混合物在磁力搅拌器中搅拌7h把短碳纤维均匀分散在分散液中，搅拌转速为1000转/分钟；
(2)把上述混合物倾倒入一定几何形状的容器中，容器的几何形状根据预制体的形状确定，静置0.5h使短碳纤维沉降，把上层清液吸出；
(3)把上述容器放置在干燥箱中，在110℃下烘干10h，得到初步成型的短碳纤维预制体；
(4)搅拌下在200g的正丙醇中，依次加入间甲酚5.63g，苯酚14.87g，糠醛40.34g和乙酰氯2.38g，间甲酚：苯酚：糠醛：乙酰氯：正丙醇为1:2.63:7.16:0.43:35.52，加完之后继续搅拌0.5h，配制苯酚-间甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液；把(3)所得含有短碳纤维预制体的容器抽真空至压力0.01MPa，把所配制的正丙醇溶液通过导管吸入该容器中，其中配制的正丙醇溶液需浸没样品，真空条件下浸渍6h；再把该容器在水浴锅中加热至80℃，进行原位聚合反应，并在该温度下保持3天；打开该容器盖子，在40℃下加热挥发正丙醇得到酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体。
(5)把(4)所得酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体放置在碳化炉中，在氮气保护下，加热到850℃，并保持在该温度下碳化3h，得到纳米碳胶增强碳纤维预制体。
上述纳米碳胶增强碳纤维预制体中短碳纤维为13.5g，纳米碳胶为22.13g，按照重量比计算，所得预制体由61％的短碳纤维和余量的纳米碳胶组成，短碳纤维长度为6mm。
实施例9
(1)首先配制分散液，分散液中的分散剂聚氧化乙烯、甲基羟丙基纤维素醚和蒸馏水的重量比为1:1:2000，然后把长度为9mm的短碳纤维加入到分散液中，二者的重量比为0.5:400，其中短碳纤维的重量为4.5g，最后把上述混合物在磁力搅拌器中搅拌8h把短碳纤维均匀分散在分散液中，搅拌转速为1000转/分钟；
(2)把上述混合物倾倒入一定几何形状的容器中，容器的几何形状根据预制体的形状确定，静置0.5h使短碳纤维沉降，把上层清液吸出；
(3)把上述容器放置在干燥箱中，在110℃下烘干10h，得到初步成型的短碳纤维预制体；
(4)搅拌下在200g的正丙醇中，依次加入间甲酚5.63g，苯酚14.87g，糠醛40.34g和乙酰氯2.38g，间甲酚：苯酚：糠醛：乙酰氯：正丙醇为1:2.63:7.16:0.43:35.52，加完之后继续搅拌0.5h，配制苯酚-间甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液；把(3)所得含有短碳纤维预制体的容器抽真空至压力0.01MPa，把所配制的正丙醇溶液通过导管吸入该容器中，其中配制的正丙醇溶液需浸没样品，真空条件下浸渍6h；再把该容器在水浴锅中加热至80℃，进行原位聚合反应，并在该温度下保持3天；打开该容器盖子，在40℃下加热挥发正丙醇得到酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体。
(5)把(4)所得酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体放置在碳化炉中，在氮气保护下，加热到850℃，并保持在该温度下碳化3h，得到纳米碳胶增强碳纤维预制体。
上述纳米碳胶增强碳纤维预制体中短碳纤维为4.5g，纳米碳胶为9.38g，按照重量比计算，所得预制体由48％的短碳纤维和余量的纳米碳胶组成，短碳纤维长度为9mm。
实施例10
如图10所示，本发明所用的一种碳/碳复合材料预制体材料用凝胶真空浸渍的装置，由一个真空干燥器构成，所述的真空干燥器1的上端设置有一个分液漏斗2，所述的分液漏斗2的一侧和一个真空泵4连接，上述的分液漏斗2的上端连接有一个真空表3。
上述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种碳/碳复合材料预制体，其特征在于：按照重量比计算，由40-70%的短碳纤维和余量的纳米碳胶组成，所述的短碳纤维长度为6-12mm。
2.权利要求1所述的一种碳/碳复合材料预制体的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）首先配制分散液，分散液中的分散剂为聚氧化乙烯和甲基羟丙基纤维素醚，聚氧化乙烯和甲基羟丙基纤维素醚和蒸馏水的重量比为1:1:2000，然后把长度为6-12mm的短碳纤维加入到分散液中，短碳纤维和分散液的重量比为0.5-1.5:400，把上述混合物在磁力搅拌器中搅拌6-8h，把短碳纤维均匀分散在分散液中，搅拌转速为600-1000转/分钟；
（2）把上述混合物倾倒入一个容器中，容器的几何形状根据预制体的形状确定，静置，使短碳纤维沉降，把上层清液吸出；
（3）把上述容器放置在干燥箱中，在100~120℃下烘干，得到初步成型的短碳纤维预制体；
（4）配制苯酚-间甲酚-糠醛-乙酰氯的正丙醇溶液，在搅拌的状态下，在正丙醇中，依次加入间甲酚，苯酚，糠醛和乙酰氯，所述的间甲酚、苯酚、糠醛、乙酰氯和正丙醇的质量比为1:2.63:7.16:0.43:35.52；然后，把（3）所得含有短碳纤维预制体的容器抽真空至压力0.01MPa，把所配制的正丙醇溶液通过导管吸入所述的容器中，其中配制的正丙醇溶液需浸没短碳纤维预制体，真空条件下浸渍3~9h；再把该容器在水浴锅中加热至70~90℃，进行原位聚合反应，并在该温度下保持2~5天；最后，打开所述的容器盖子，在35~50℃下加热挥发正丙醇，得到酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体；
（5）把（4）所得酚醛树脂纳米胶增强碳纤维预制体放置在碳化炉中，在氮气保护下，加热到800~950℃，并保持在该温度下碳化1~4h，得到纳米碳胶增强碳纤维预制体。
3.根据权利要求 2 所述的一种碳/碳复合材料预制体的制备方法，其特征在于： 所述步骤（2）中的短碳纤维沉降时间是0.5h。
4.根据权利要求 2 所述的一种碳/碳复合材料预制体的制备方法，其特征在于 ：所述步骤（4）中，真空浸渍压力为0.01
MPa，浸渍时间为6h。
5.根据权利要求 2所述的一种碳/碳复合材料预制体的制备方法，其特征在于 ：所述步骤（4）中原位聚合反应的温度是80℃，时间为3天。
6.根据权利要求 2 所述的一种碳/碳复合材料预制体的制备方法，其特征在于 ：所述步骤（4）中挥发正丙醇的温度为40℃。
7.根据权利要求2 所述的一种碳/碳复合材料预制体的制备方法，其特征在于 ：所述步骤（5）中采用在氮气保护下，碳化温度为850℃，时间为3h。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20180706 Termination date: 20210413 |