CN106316437A - 一种卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝制备方法 - Google Patents

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李照谦
南博华
张崇印
何腾峰
郝冬冬
方岩
冯冠祥
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Abstract

本发明提出了一种卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝制备方法，步骤如下：采用商品化的碳纤维增强树脂基复合材料蜂窝作为制造碳/碳复合材料蜂窝的预成型体；将预成型体在惰性保护气氛下进行高温热解和碳化处理；在低压和高温条件下，采用CVI工艺进行致密化；在惰性气氛保护下，进行石墨化处理制得卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝。该蜂窝材料不仅具有良好的力学性能，而且具有较高的导热系数，即克服了传统蜂窝结构导热性能差的缺点，又可降低成本，性价比高，可满足卫星结构平台的轻量化、高稳定和长寿命发展需求。

Description

一种卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝制备方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝制备方法。
背景技术
随着应用卫星技术的不断发展，大功率、高热流密度电子器件（如行波管、固态放大器等）在卫星上的应用也来越广泛，解决这些电子器件在空间环境下的散热问题，以保证其长寿命、高可靠性，是卫星热控系统设计所必须解决的问题。为满足卫星长寿命、高稳定、轻量化的要求，卫星结构设计广泛采用铝蜂窝结构,主要的结构形式有铝面板-铝蜂窝夹层结构和碳纤维增强树脂基复合材料面板-铝蜂窝夹层结构。但是铝蜂窝的导热系数仅为2.4W/m·K，非常不利于卫星面板的有效散热。碳/碳复合材料蜂窝不仅具有较高的比强度和比刚度，而且具有较高的导热系数，非常适合应用于轻质、高强，且有高导热需求的领域。美国专利5415715、5514445和6114006中开发了具有较高导热率的碳/碳复合材料蜂窝状结构，但这些方法中均需要将碳纤维浸渍树脂并通过传统的蜂窝成型技术制成多孔纤维预制体，再经过多次浸渍、CVI（化学气相渗透）致密化、碳化工艺等制成最终碳/碳复合材料蜂窝状结构。这些方法具有碳纤维蜂窝预制体成型技术难度大、致密化周期长、成本高等缺点。
德国公司申请的中国专利03813418.7使用商品化的芳族聚酰胺纤维纸基蜂窝体—NOMEXÒ经树脂浸渍、热解、致密化制备碳蜂窝状结构，该方法能够较简便、经济地制得碳蜂窝体，但蜂窝体中增强纤维主要是由芳族聚酰胺纤维热解形成，其比强度和比模量较低，造成碳蜂窝体比强度和刚度较低，导热性能较差。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种导热率高、重量轻、比强度大、比刚度大的卫星碳/碳复合材料蜂窝制造方法，并且本发明方法制造的碳/碳复合材料蜂窝具有制造工艺简单、性能稳定可靠、制造成本低廉、能够批量生产、具有实用价值等特点。
本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：提供一种卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝制造方法，包含的步骤有：
a.采用商品化的碳纤维增强树脂基复合材料蜂窝作为制造碳/碳复合材料蜂窝的预成型体；
b. 加热碳纤维增强树脂基复合材料蜂窝预成型体在惰性保护气氛下进行高温热解和碳化处理；
c.在低压和高温条件下，采用CVI工艺进行致密化；
d.在惰性气氛保护下，进行石墨化处理制得卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝。
优选地，所述步骤a中商品化的碳纤维增强树脂基复合材料蜂窝的增强体为性能较高的连续碳纤维织物，而不是短切碳纤维网胎。基体树脂为高残炭率环氧树脂、酚醛树脂等热固性树脂；优选地，所述步骤b、d中，惰性气氛为氮气或氩气。
优选地，所需步骤b中碳纤维增强树脂基复合材料蜂窝预成型体高温热解温度为400～600℃，保温时间2-10h；高温碳化处理温度为900～1600℃，保温时间1-4h；优选地，所述步骤c高导热碳/碳复合材料蜂窝CVI致密化工艺低压条件为不大于0.01MPa；温度为900～1600℃，沉积时间40-100h；所用碳源气体为天然气、甲烷、乙烯和丙烯等碳氢类气体；优选地，所述步骤d中，石墨化处理工艺温度为2000～3200℃，保温时间1-4h。
本发明有益效果是：
1. 本发明的卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝制造方法工艺流程简单，只有热解、碳化、致密化和石墨化四步工序，较易实现规模化生产；
2.本发明的卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝制造方法占用设备少，只需一台高温气相沉积设备；
3. 本发明采用商品化的碳纤维增强树脂基复合材料蜂窝作为预成型体，省去了技术难度较大的蜂窝体成形工序，能确保在生产过程中质量的均一性，生产效率高；
4.本发明制造的卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝比铝蜂窝和Nomex蜂窝强度更高，刚度更好，具有更优良的导热和耐空间辐射性能，能够满足卫星平台结构、功能一体化与轻量化的发展需求，实现卫星平台的轻质化、高稳定和长寿命。
附图说明
图1为本发明的卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝制备方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本发明：一种卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝制造方法，包含的步骤有：
a.采用商品化的碳纤维增强树脂基复合材料蜂窝作为制造碳/碳复合材料蜂窝的预成型体；
b. 加热碳纤维增强树脂基复合材料蜂窝预成型体在惰性保护气氛下进行高温热解和碳化处理；
c.在低压和高温条件下，采用CVI工艺进行致密化；
d.在惰性气氛保护下，进行石墨化处理制得卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝。
实施例1：
一种卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝制备方法步骤为：采用商品化的碳纤维增强树脂基复合材料蜂窝作为制造碳/碳复合材料蜂窝的预成型体，增强体为T300碳布，基体为E51环氧树脂，蜂窝边长5mm，壁厚0.2mm，高度10mm。在氮气保护气氛下，加热到450℃热解5h，1400℃碳化2h。采用等温CVI工艺在0.098MPa条件下致密化，温度1100℃，时间50h。然后对该材料在氩气保护下加热至2500℃进行石墨化处理，保温时间2h，得到最终的高导热碳/碳复合材料蜂窝密度约为0.08-0.10g/cm3，蜂窝纵向导热系数≥20W/m·K。
实施例2：
一种卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝制备方法，与实施例1的却别在于，碳化处理温度为1600℃，等温CVI工艺沉积时间100h，石墨化处理温度3000℃。得到最终的高导热碳/碳复合材料蜂窝密度约为0.12-0.15g/cm3，蜂窝纵向导热系数≥32W/m·K。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1. 一种卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝制备方法，其特征在于，该方法步骤包含：
a.采用商品化的碳纤维增强树脂基复合材料蜂窝作为制造碳/碳复合材料蜂窝的预成型体；
b. 加热碳纤维增强树脂基复合材料蜂窝预成型体在惰性保护气氛下进行高温热解和碳化处理；
c.在低压和高温条件下，采用CVI工艺进行致密化；
d.在惰性气氛保护下，进行石墨化处理制得卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝。
2. 如权利要求1 所述的卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝制造方法，其特征在于：所述蜂窝预成型体是由碳纤维织物与酚醛树脂、环氧树脂等高残炭率热固性树脂通过普通蜂窝成型工艺制作的正六边形蜂窝状结构材料。
3. 如权利要求1 所述的卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝制造方法，其特征在于：所述步骤b和d所述惰性保护气氛为氮气或氩气。
4. 如权利要求1 所述的卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝制造方法，其特征在于：所述步骤b碳纤维增强树脂基复合材料蜂窝预成型体高温热解温度为400～600℃，保温时间2-10h。
5. 如权利要求1 所述的卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝制造方法，其特征在于：所述步骤b碳纤维增强树脂基复合材料蜂窝预成型体高温碳化处理温度为900～1600℃，保温时间1-4h。
6. 如权利要求1 所述的卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝制造方法，其特征在于：所述步骤c中高温CVI致密化工艺低压条件为≤0.01MPa，温度为900～1600℃，沉积时间40-100h。
7. 如权利要求6 所述的卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝制造方法，其特征在于：所述步骤c中CVI致密化工艺所用碳源气体为碳氢类气体。
8. 如权利要求6 所述的卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝制造方法，其特征在于：所述步骤c中CVI致密化工艺所用碳源气体为天然气、甲烷、乙烯或丙烯。
9. 如权利要求1 所述的卫星高导热碳/碳复合材料蜂窝制造方法，其特征在于：步骤d石墨化处理工艺温度为2000～3200℃，保温时间1-4h。
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