CN106518091B - 一种提高二维碳/碳复合材料力学性能的方法 - Google Patents

一种提高二维碳/碳复合材料力学性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种提高二维碳/碳复合材料力学性能的方法，将不同织构热解碳交替引入不同的纤维层内，同时保留了低织构热解碳弯曲模量高和高织构热解碳韧性好的特点，同时利用两种热解碳热膨胀系数之间的差异，在低织构热解碳层中引入压缩应力，提高了低织构热解碳层的临界破坏应力。通过该方法，可以获得高强度和高韧性的C/C复合材料，与采用纯高织构基体的C/C复合材料相比，强度和模量分别提高约60％～120％和30％～60％。本发明的显著优点在于：本发明的制备方法简单、成本低、制备过程无污染，能够应用于大规模生产，具备显著的经济和社会效益。

Description

一种提高二维碳/碳复合材料力学性能的方法
技术领域
本发明属于碳/碳复合材料制备方法，涉及一种提高二维碳/碳复合材料力学性能的方法。
背景技术
碳/碳(C/C)复合材料高温力学性能优异，是一种极为重要的航空、航天战略材料，而其中应用最为广泛的主要是2D-C/C复合材料。新一代航空发动机和空天飞行器的研制对C/C复合材料的结构和性能提出了更加苛刻的要求。C/C复合材料由碳纤维和热解碳基体组成，虽然C/C复合材料的弯曲性能主要由纤维的性能决定，然而基体碳和纤维-基体碳的性能在很大程度上影响了C/C复合材料的韧性和强度。按照石墨微晶取向度由低到高的变化趋势，可以将热解碳分为低织构、中织构和高织构三类。采用高织构热解碳基体的C/C复合材料具有韧性好的优点，但是由于高织构热解碳基体本身模量较低且纤维-基体界面较弱，此类C/C复合材料的宏观模量也较低，在低弯曲应力条件下易发生层间破坏。采用低织构热解碳基体的C/C复合材料基体碳模量高且纤维-基体界面强度高，因而模量较高，但是由于低织构热解碳本身韧性较差，此类C/C复合材料存在脆性大，纤维强度利用率低的特点。目前，主要研究工作主要通过纤维表面处理(Zhang SH,Liang GZ,Zhang W,Zeng JF.Effectof surface modification of fibers with a polymer coating on the interlaminarshear strength of a composite and the translation of fiber strength in an F-12 aramid/epoxy composite vessel.Mech Compos Mater 2006；42:507-12；Zhang LL,LiHJ,Song Q,Lu JH,Zhang YL,Li W,et al.Surface characterisation and in vitrobehaviour of carbon/carbon composites with various surfacemodifications.Mater Technol 2014；29:134-8.)、引入碳纳米管等方法(Yu H-y,Lu J-h,Song Q,Li K-z,Li H-j,Fu Q-g,et al.Compressive properties of carbon/carboncomposites reinforced by carbon nanotubes with different orientations andlengths.Vacuum2014；99:76-9；Xiao P,Lu XF,Liu YQ,He LL.Effect of in situ growncarbon nanotubes on the structure and mechanical properties of unidirectionalcarbon/carbon composites.Mat Sci Eng a-Struct 2011；528:3056-61.),改善纤维-基体界面和强韧化热解碳基体，但是该类方法成本较高，目前无法实现大规模的商用。另外，有研究提出围绕纤维的多层热解碳界面的设计方法，通过界面的裂纹偏转功能达到增强强度和韧性的目的，但是此类方法对整体毡材料的作用效果较明显，当应用于2D叠层C/C复合材料的时候，不能有效的优化层间界面应力(Reznik B,Guellali M,Gerthsen D,Oberacker R,Hoffmann W.Microstructure and mechanical properties of carbon-carbon composites with multilayered pyrocarbon matrix.Materials Letters 2002；52:14-19；Guellali M,Oberacker R,Hoffmann M.Influence of the matrixmicrostructure on the mechanical properties of CVI-infiltrated carbon fiberfelts.Carbon 2005；43:1954-1960)。针对2D叠层C/C复合材料，目前尚未有有效的方法实现其层间应力的优化，如何结合两种材料高韧性、高模量的优点以满足新一代航空、航天飞行器对C/C复合材料的性能要求，是该领域研究的关键问题。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种提高二维碳/碳复合材料力学性能的方法，旨在通过优化层间应力设计，合理利用高织构热解碳和低织构热解碳各自的优点，达到提高C/C复合材料强度和模量，同时保证C/C复合材料断裂韧性的目的。
技术方案
一种提高二维碳/碳复合材料力学性能的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：以多孔石墨模板双面紧固单层纤维布，置于化学气相CVD炉进行表面热解碳的沉积，沉积时间为10～100小时，在纤维布表面获得高织构或低织构的热解碳涂层，制成表面附有热解碳涂层的纤维布HT-CF；
所述获得高织构热解碳涂层的工艺参数：CH4分压：0.1～30KPa,沉积温度：1100℃～1200℃；
所述获得低织构的热解碳涂层的工艺参数：CH4分压：30～80KPa,沉积温度：1000℃～1100℃；
步骤2：将获得的表面附有热解碳涂层的纤维布按如下原则叠放，获得致密化所需的预制体：
将单层或多层叠放的HT-CF标记为A，将另外单层或多层叠放的LT-CF标记为B，再将A和B按照ABAB…或者BABA…的顺序交替叠放，最后，将叠放好的纤维布压紧，得到预制体；
步骤3：以多孔石墨模板双面紧固预制体，置于高温沉积路中完成最终的致密化CVD过程，致密化工艺参数如下：CH4分压：0.1～60KPa,沉积温度：1050℃～1150℃；致密化时间为500～1000小时，致密化后获得的二维碳/碳复合材料的力学性能得到提高。
有益效果
本发明提出的一种提高二维碳/碳复合材料力学性能的方法，将不同织构热解碳交替引入不同的纤维层内，同时保留了低织构热解碳弯曲模量高和高织构热解碳韧性好的特点，同时利用两种热解碳热膨胀系数之间的差异，在低织构热解碳层中引入压缩应力，提高了低织构热解碳层的临界破坏应力。通过该方法，可以获得高强度和高韧性的C/C复合材料，与采用纯高织构基体的C/C复合材料相比，强度和模量分别提高约60％～120％和30％～60％。本发明的显著优点在于：本发明的制备方法简单、成本低、制备过程无污染，能够应用于大规模生产，具备显著的经济和社会效益。
附图说明
图1：本发明2D-C/C复合材料层间应力设计方法的主要流程示意图
图2：按照实施例1所制备试样与未进行层间应力设计C/C复合材料的弯曲载荷-位移曲线及相关性能数据。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施案例1：
1)将面内尺寸为150mm×100mm的单层纤维布使用尺寸为150mm×100mm×3mm的多孔矩形石墨模板双面紧固以保持纤维布的平整，至于高温炉中进行表面热解碳的沉积，采用不同的沉积参数，沉积时间为20小时，在纤维布表面获得不同织构的热解碳涂层。
在纤维表面获得附有高织构热解碳涂层的单层纤维布(HT-CF)的工艺参数：
CH4分压：10KPa,沉积温度：1150℃；
在纤维表面获得附有低织构热解碳涂层的单层纤维布(LT-CF)的工艺参数：
CH4分压：40KPa,沉积温度：1050℃；
2)将步骤1所获得的表面附有不同织构的热解碳涂层的纤维布按如下原则叠放，获得致密化所需的预制体：
将单层HT-CF标记为A，另外将单层LT-CF标记为B，将A和B按照ABAB…的顺序交替叠放共20层，最后，将叠放好的纤维布压紧，获得步骤3)所需的预制体。
3)将叠放碳纤维布获得的预制体在再次使用多孔石墨模板双面紧固，再次置于高温沉积路中完成最终的致密化过程，致密化工艺参数如下：CH4分压：20KPa,沉积温度：1050℃，致密化时间为500小时，致密化后获得最终产品。由图2可知，该实例中经过界面应力优化的C/C复合材料弯曲强度和模量分别较未经界面应力优化的C/C复合材料增加了113％和49％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
实施案例2：
1)将面内尺寸为150mm×100mm的单层纤维布使用尺寸为150mm×100mm×3mm的多孔矩形石墨模板双面紧固以保持纤维布的平整，至于高温炉中进行表面热解碳的沉积，采用不同的沉积参数，沉积时间为20小时，在纤维布表面获得不同织构的热解碳涂层。
在纤维表面获得附有高织构热解碳涂层的单层纤维布(HT-CF)的工艺参数：
CH4分压：20KPa,沉积温度：1100℃；
在纤维表面获得附有低织构热解碳涂层的单层纤维布(LT-CF)的工艺参数：
CH4分压：60KPa,沉积温度：1050℃；
2)将步骤1所获得的表面附有不同织构的热解碳涂层的纤维布按如下原则叠放，获得致密化所需的预制体：
将双层HT-CF标记为A，另外将双层LT-CF标记为B，将A和B按照ABAB…的顺序交替叠放共20层，最后，将叠放好的纤维布压紧，获得步骤3)所需的预制体。
3)将叠放碳纤维布获得的预制体在再次使用多孔石墨模板双面紧固，再次置于高温沉积路中完成最终的致密化过程，致密化工艺参数如下：CH4分压：30KPa,沉积温度：1050℃，致密化时间为400小时，致密化后获得最终产品。该实例中经过界面应力优化的C/C复合材料弯曲强度和模量分别较未经界面应力优化的C/C复合材料增加了82％和40％。
实施案例3：
1)将面内尺寸为150mm×100mm的单层纤维布使用尺寸为150mm×100mm×3mm的多孔矩形石墨模板双面紧固以保持纤维布的平整，至于高温炉中进行表面热解碳的沉积，采用不同的沉积参数，沉积时间为20小时，在纤维布表面获得不同织构的热解碳涂层。
在纤维表面获得附有高织构热解碳涂层的单层纤维布(HT-CF)的工艺参数：
CH4分压：15KPa,沉积温度：1130℃；
在纤维表面获得附有低织构热解碳涂层的单层纤维布(LT-CF)的工艺参数：
CH4分压：50KPa,沉积温度：1050℃；
2)将步骤1所获得的表面附有不同织构的热解碳涂层的纤维布按如下原则叠放，获得致密化所需的预制体：
将三层HT-CF标记为A，另外将三层LT-CF标记为B，将A和B按照ABAB…的顺序交替叠放共20层，最后，将叠放好的纤维布压紧，获得步骤3)所需的预制体。
3)将叠放碳纤维布获得的预制体在再次使用多孔石墨模板双面紧固，再次置于高温沉积路中完成最终的致密化过程，致密化工艺参数如下：CH4分压：45KPa,沉积温度：1050℃，致密化时间为350小时，致密化后获得最终产品。该实例中经过界面应力优化的C/C复合材料弯曲强度和模量分别较未经界面应力优化的C/C复合材料增加了73％和42％。

Claims (1)

1.一种提高二维碳/碳复合材料力学性能的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：以多孔石墨模板双面紧固单层纤维布，置于化学气相CVD炉进行表面热解碳的沉积，沉积时间为10～100小时，在纤维布表面获得高织构或低织构的热解碳涂层，制成表面附有热解碳涂层的纤维布HT-CF或纤维布LT-CF；
所述获得高织构热解碳涂层的工艺参数：CH4分压：0.1～30KPa,沉积温度：1100℃～1200℃；
所述获得低织构的热解碳涂层的工艺参数：CH4分压：30～80KPa,沉积温度：1000℃～1100℃；
步骤2：将获得的表面附有热解碳涂层的纤维布按如下原则叠放，获得致密化所需的预制体：
将单层或多层叠放的HT-CF标记为A，将另外单层或多层叠放的LT-CF标记为B，再将A和B按照ABAB…或者BABA…的顺序交替叠放，最后，将叠放好的纤维布压紧，得到预制体；
步骤3：以多孔石墨模板双面紧固预制体，置于高温沉积炉 中完成最终的致密化CVD过程，致密化工艺参数如下：CH4分压：0.1～60KPa,沉积温度：1050℃～1150℃；致密化时间为500～1000小时，致密化后获得的二维碳/碳复合材料的力学性能得到提高。
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石墨化处理对双层热解炭基2D C/C复合材料微观结构的影响;李伟 等;《新型炭材料》;20111031;第26卷(第5期);第328页第1节前言部分

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