CN106915969B - 炭炭复合材料的制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及炭复合材料技术领域。具体公开一种炭炭复合材料的制备方法和应用。所述制备方法至少包括以下步骤：1)在惰性气体氛围中对纤维预制体进行升温浸渍处理，升温速率为3～6℃/min，升温至450～465℃，并恒温50～80min，并保持浸渍的压强为2～3MPa；2)以3～6℃/min的升温速率升温至590～600℃，同时将浸渍的压强增至4～5MPa，恒温100～120min，自然冷却；3)将2)中冷却得到的物质置于氮气氛围中进行逐步升温升压炭化处理；重复上述步骤1)～3)至少一个周期。本发明得到的炭炭复合材料的密度比恒压制得的炭炭复合材料的密度高5％～15％，孔隙率降低5.5％～25％。

Description

炭炭复合材料的制备方法和应用
技术领域
本发明涉及炭复合材料技术领域，尤其涉及一种炭炭复合材料的制备方法和应用。
背景技术
液相浸渍工艺是制备炭炭复合材料的重要工艺方法之一，具体是以树脂或沥青作为前驱体，浸渍炭纤维制成的C/C复合材料毡体。不过，由于沥青或树脂都无法有效地浸渍进入炭纤维和炭纤维之间的缝隙里，因此，主要用多次重复浸渍-炭化-石墨化来实现致密预制体的制备。
在液相浸渍工艺中，常用的浸渍液有两类：一类是热固性树脂如吠喃、糠醛和酚醛树脂等，另一类是热塑性树脂，如各向同性的石油沥青和煤沥青以及各向异性的中间相沥青。前者只能得到玻璃炭，而且炭化过程由于小分子分解，气化，在气化时逸出的气体会导致产品内部出现热机械应力，不能进一步石墨化，性能较差。以沥青为基体的C/C复合材料表现出优异的抗热震性能和机械性能，主要是由于沥青和炭纤维具有良好的界面结合性，在炭化时形成的中间相沥青沿纤维方向定向排列，因此炭化后的沥青基体的热力学性能与纤维匹配较好。沥青的残炭率高，各向同性沥青残炭率可达50％-60％，中间相沥青的残炭率为60％～80％，表现出更高的残炭率。炭化时由于与纤维有良好的润湿和粘结性易产生开孔，利于再浸渍和密度的提高。
为了进一步提高基体残炭率、增大密度、改善C/C复合材料的各种性能，人们发展了高压(100Mpa)液相浸渍炭化工艺。高压液相浸渍炭化工艺是利用内外压差使低粘度基体渗透到纤维织物的孔隙里。残炭率受压力影响非常显著，各向同性沥青的残炭率可由常压下的50％提高到高压下的90％，有效地提高了致密化程度。但是，高压浸渍/炭化设备昂贵，工艺成本高。
发明内容
针对现有高压浸渍工艺装备炭炭复合材料存在的制备压力过高导致设备昂贵、成本高；密度、孔隙率及弹性模量有待改善等问题，本发明实施例提供了一种炭炭复合材料的制备方法。
以及，本发明实施例还提供了该炭炭复合材料的应用。
为了达到上述发明的目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
一种炭炭复合材料的制备方法，至少包括以下步骤：
步骤S01.在惰性气体的保护氛围中对纤维预制体进行升温浸渍处理，升温速率为3～6℃/min，升温至450～465℃，并在450～465℃下恒温50～80min，并保持浸渍的压强为2～3MPa：
步骤S02.继续以3～6℃/min的升温速率升温至590～600℃，同时将浸渍的压强升至4～5MPa，在590～600℃下恒温100～120min，然后自然冷却；
步骤S03.将步骤S02中冷却得到的物质置于氮气氛围中进行炭化处理，所述炭化处理的升温速率为2～5℃/min，升温至950～1050℃，并在950～1050℃下恒温炭化110～120min；所述炭化处理的升温过程中，温度升至380℃时，压强为2～3MPa，温度升至380～600℃时，压强升至5～6MPa，温度升至600～1050℃时，压强升至8～10MPa；
重复上述步骤S01～步骤S03至少一个周期。
以及相应地，如上方法制备的炭炭复合材料在刹车片中的应用。
本发明实施例提供的炭炭复合材料的制备方法，采用10MPa的低压、变压并且控制温度逐步升高的方式，在浸渍过程中，随着温度的升高，沥青呈现出流变特性，粘度下降，接触角减小，润湿性得到改善，易与孔壁粘接，能够很好地与炭纤维结合，使得预制体经过浸渍后，在炭化的热处理过程中形成石墨化炭；得到的炭炭复合材料的密度比恒压制得的炭炭复合材料的密度高5％～15％，孔隙率降低5.5％～25％。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种炭炭复合材料的制备方法。
所述制备方法至少包括以下步骤：
步骤S01.在惰性气体的保护氛围中对纤维预制体进行升温浸渍处理，升温速率为3～6℃/min，升温至450～465℃，并在450～465℃下恒温50～80min，并保持浸渍的压强为2～3MPa：
步骤S02.继续以3～6℃/min的升温速率升温至590～600℃，同时将浸渍的压强升至4～5MPa，在590～600℃下恒温100～120min，然后自然冷却；
步骤S03.将步骤S02中冷却得到的物质置于氮气氛围中进行炭化处理，所述炭化处理的升温速率为2～5℃/min，升温至950～1050℃，并在950～1050℃下恒温炭化110～120min；所述炭化处理的升温过程中，温度升至380℃时，压强为2～3MPa，温度升至380～600℃时，压强升至5～6MPa，温度升至600～1050℃时，压强升至8～10MPa；
重复上述步骤S01～步骤S03至少一个周期。
优选地，纤维预制体由碳布按照常规工艺依次经过裁剪、模具定型而成。
进一步优选地，碳布裁剪成60mm×15mm×15mm的碳纤维。
优选地，惰性气体为氮气、氩气、氦气中的任一种。在上述惰性气体下浸渍，可以避免发生副反应等等。
优选地，升温浸渍处理采用的设备为高温反应釜。
优选地，所述升温浸渍处理的浸渍剂为中间相沥青液，所述中间相沥青液经过160目及以上目数的筛网处理。首先，采用中间相沥青液作为浸渍剂，残炭率较高，而且相对于其他浸渍剂有良好的润湿性，在与碳纤维进行炭化处理时，粘结性好且容易开孔，有利于再浸渍的密度的进一步提高，而且经过160目及以上目数的筛网处理，中间相沥青比较容易的参入到预制体中的缝隙中，方便后续熔融浸渍，避免发生堵塞。
在上述步骤S01～S02中，由于沥青的粘度与密度有着密切的关系，当温度较低时，提高浸渍温度，沥青的流变性能和扩散能力提高，但提高浸渍温度，沥青中的中低分子组分挥发，已经进入基体气孔中的沥青热分解成气体，这些气体在微孔中会阻碍沥青分子进入孔隙中，因此选择浸渍温度不不低于450℃且不能高于600℃。
理论上浸渍效果和压力是成正比的，增加浸渍压力可以缩短浸渍时间，且沥青更容易进入到微孔，但成本会大大的增加。在其他工艺参数相同而变压工艺条件下，浸渍增重比恒压情况下多5％～20％。
采用变压浸渍，当釜内温度升到380℃左右时，沥青刚刚完全处于熔融状态，其粘度较大，表面张力大，流动性较差，在此温度加上2Mpa压力使沥青流动即可，缓慢进入预制体大孔内，这时粘度较大，很难进入微孔，若用5Mpa左右的压力，粘度大的沥青会堵住进入微孔的通道，后续继续升温，小分子沥青分解，在内部的气体不易逸出，就大大增加生成闭孔的几率，当温度从460℃上升到600℃时，达到中间相沥青的最佳粘度，继续变压，此时压力呈梯度增大，粘度呈梯度下降，沥青其表面张力较低、流动性好、浸润能力强，因此可以比较容易地渗透到炭炭复合材料坯体的孔隙中从而提高浸渍增重率和浸渍的均匀性，使得浸渍效果有较大的提高。
优选地，所述炭化处理采用的设备为管式炉。
在上述步骤S03中，炭化压力的大小不仅影响基体的性能，而且对浸渍剂沥青的炭化收率也有很大的影响。在炭化过程中采用变压工艺，减少工艺成本的同时又保证了材料的性能。
在升温过程中，温度达到380℃左右时，进入孔内的沥青还未分解，仅实现熔融，有少许浸渍过程中留下的气体，2Mpa的压力可以保证熔融的沥青不会从孔洞中流出。当温度达到400℃～600℃时，熔融的沥青的粘度处于最佳状态，孔内的小分子沥青开始分解产生气体，从而孔内产生的压力增加，会使已经浸渍进入到大孔和微孔内的部分沥青流出，孔内分解产生的气体也会逸出，从而降低实际的炭化收率，此刻加大压强，就会使得孔内的流出物大大减少，此时的压强增至5Mpa即可大大降低上述情况的发生。温度从600℃继续升高至1000℃的过程中，沥青继续分解，产生的气体增多，孔内压力增大，此时加大压强至10Mpa，不仅能使孔内流出物减少，也能使孔内沥青分解产生的气体在孔内进行二次的热缩聚从而提高实际的炭化率。
优选地，上述步骤的重复周期为4～6个周期，经过4～6个周期的处理，炭化密度趋于稳定，而且孔隙率相对于恒温恒压得到的炭炭复合材料孔隙率低20％及以上。
上述实施例提供的炭炭复合材料的制备方法，采用10MPa的低压、变压并且控制温度逐步升高的方式，在浸渍过程中，随着温度的升高，沥青呈现出流变特性，粘度下降，接触角减小，润湿性得到改善，易与孔壁粘接，能够很好地与炭纤维结合，使得预制体经过浸渍后，在炭化的热处理过程中形成石墨化炭。
本制备方法仅需10MPa及以下的压力进行浸渍，比高压浸渍安全而且设备成本便宜，制备成本低下，制备的炭炭复合材料的密度比恒压制备的炭炭复合材料的密度高5％～15％，孔隙率降低5.5％～25％。
上述制备方法制备的炭炭复合材料可用于刹车片领域中，如汽车、自行车等的刹车片。
当然，由于其具有较好的密度以及低的孔隙率，因此除了用于刹车片，还可以用于其他高温材料结构等领域中。
为了更好的体现本发明实施例提供的炭炭复合材料的制备方法，下面通
过多个实施例进一步说明。
实施例1
一种炭炭复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将碳布裁剪成60mm×15mm×15mm的碳纤维，并采用自制的60mm×15mm×15mm的碳纤维型号模具对裁剪得到的碳纤维制成碳纤维预制体；
2)将得到的碳纤维预制体置于盛放有中间相沥青浸渍剂的高温反应釜中，然后按照5℃/min的升温速率升温至380℃，开始对高温反应釜进行抽真空处理，抽成真空后通入氮气，使高温反应釜内的压强为2MPa，继续以5℃/min的升温速率升温至450℃，然后在450℃下保持恒温60min；
3)继续以5℃/min的升温速率升温至600℃，在升温的过程中同时缓慢提高高温反应釜内的气体压力，使得气体压力达到5MPa，在600℃下保温120min，随后自然冷却至室温；
4)将经过浸渍处理的碳纤维预制体转移至管式炉中，并在氮气保护氛围下，以2℃/min的升温速率进行升温炭化处理；在升温炭化处理时，当温度由室温增至380℃时，确保管式炉内的压强为3MPa，而当温度由380℃上升至600℃阶段，管式炉内的压强缓慢升至6MPa，温度由600℃上升至1000℃时，管式炉内的压强保缓慢升至10MPa，若管式炉内的压强超过10MPa，则通过缓慢放压进行调节，并保持恒温120min，自然冷却至室温；
5)重复实施例1中步骤2)～4)1～6个循环处理过程，每个循环结束检测相应的性能，检测数据如表1所示。
表1实施例1制备的炭炭复合材料的性能测试数据
浸渍炭化次数 1 2 4 6
密度(g/cm<sup>3</sup>) 1.3215 1.4352 1.6452 1.7862
气孔率/％ 33.46 28.66 22.49 11.39
抗弯最大承受力/N 325.5 519 623.2 706.3
抗弯强度/MPa 55.02 80.62 98.41 118.48
弹性模量/GPa 12.56 14.68 23.67 30.15
实施例2
一种炭炭复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将碳布裁剪成60mm×15mm×15mm的碳纤维，并采用自制的60mm×15mm×15mm的碳纤维型号模具对裁剪得到的碳纤维制成碳纤维预制体；
2)将得到的碳纤维预制体置于盛放有中间相沥青浸渍剂的高温反应釜中，然后按照4℃/min的升温速率升温至380℃，开始对高温反应釜进行抽真空处理，抽成真空后通入氮气，使高温反应釜内的压强为3MPa，继续以4℃/min的升温速率升温至450℃，然后在450℃下保持恒温60min；
3)继续以4℃/min的升温速率升温至600℃，在升温的过程中同时缓慢提高高温反应釜内的气体压力，使得气体压力达到5MPa，在600℃下保温120min，随后自然冷却至室温；
4)将经过浸渍处理的碳纤维预制体转移至管式炉中，并在氮气保护氛围下，以5℃/min的升温速率进行升温炭化处理；在升温炭化处理时，当温度由室温增至380℃时，确保管式炉内的压强为2MPa，而当温度由380℃上升至600℃阶段，管式炉内的压强缓慢升至5MPa，温度由600℃上升至1000℃时，管式炉内的压强保缓慢升至10MPa，若管式炉内的压强超过10MPa，则通过缓慢放压进行调节，并保持恒温120min，自然冷却至室温；
5)重复实施例2中步骤2)～4)1～6个循环处理过程，每个循环结束检测相应的性能，检测数据如表2所示。
表2实施例2制备的炭炭复合材料的性能测试数据
浸渍炭化次数 1 2 4 6
密度(g/cm<sup>3</sup>) 1.3313 1.4306 1.6438 1.7742
气孔率/％ 33.01 28.95 22.69 11.78
抗弯最大承受力/N 324.7 520 620.8 690.8
抗弯强度/MPa 54.02 78.52 101.58 114.82
弹性模量/GPa 12.08 14.15 22.96 30.82
实施例3
一种炭炭复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将碳布裁剪成60mm×15mm×15mm的碳纤维，并采用自制的60mm×15mm×15mm的碳纤维型号模具对裁剪得到的碳纤维制成碳纤维预制体；
2)将得到的碳纤维预制体置于盛放有中间相沥青浸渍剂的高温反应釜中，然后按照3℃/min的升温速率升温至380℃，开始对高温反应釜进行抽真空处理，抽成真空后通入氮气，使高温反应釜内的压强为3MPa，继续以3℃/min的升温速率升温至450℃，然后在450℃下保持恒温60min；
3)继续以3℃/min的升温速率升温至600℃，在升温的过程中同时缓慢提高高温反应釜内的气体压力，使得气体压力达到5MPa，在600℃下保温120min，随后自然冷却至室温；
4)将经过浸渍处理的碳纤维预制体转移至管式炉中，并在氮气保护氛围下，以3℃/min的升温速率进行升温炭化处理；在升温炭化处理时，当温度由室温增至380℃时，确保管式炉内的压强为3MPa，而当温度由380℃上升至600℃阶段，管式炉内的压强缓慢升至5MPa，温度由600℃上升至1000℃时，管式炉内的压强保缓慢升至10MPa，若管式炉内的压强超过10MPa，则通过缓慢放压进行调节，并保持恒温120min，自然冷却至室温；
5)重复实施例1中步骤2)～4)1～6个循环处理过程，每个循环结束检测相应的性能，检测数据如表3所示。
表3实施例3制备的炭炭复合材料的性能测试数据
浸渍炭化次数 1 2 4 6
密度(g/cm<sup>3</sup>) 1.3426 1.4279 1.6734 1.7645
气孔率/％ 33.46 28.66 20.49 11.86
抗弯最大承受力/N 329.4 520 642.6 702
抗弯强度/MPa 54.82 79.68 100.23 115.36
弹性模量/GPa 12.24 13.84 23.06 30.25
对比例1
一种炭炭复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将碳布裁剪成60mm×15mm×15mm的碳纤维，并采用自制的60mm×15mm×15mm的碳纤维型号模具对裁剪得到的碳纤维制成碳纤维预制体；
2)将得到的碳纤维预制体置于盛放有中间相沥青浸渍剂的高温反应釜中，然后按照5℃/min的升温速率升温至380℃，开始对高温反应釜进行抽真空处理，抽成真空后通入氮气，使高温反应釜内的压强为10MPa，继续以5℃/min的升温速率升温至450℃，然后在450℃下保持恒温60min；
3)继续以5℃/min的升温速率升温至600℃，保持高温反应釜内的气体压力为10MPa，在600℃下保温120min，随后自然冷却至室温；
4)将经过浸渍处理的碳纤维预制体转移至管式炉中，并在氮气保护氛围下，以2℃/min的升温速率进行升温炭化处理，保持管式炉内的压强为10MPa，若管式炉内的压强超过10MPa，则通过缓慢放压进行调节，并保持恒温120min，自然冷却至室温；
5)重复对比例1中步骤2)～4)1～6个循环处理过程，每个循环结束检测相应的性能，检测数据如表4所示。
表4对比例1制备的炭炭复合材料的性能测试数据
浸渍炭化次数 1 2 4 6
密度(g/cm<sup>3</sup>) 1.1971 1.3254 1.5636 1.6769
气孔率/％ 36.45 30.39 24.57 15.62
抗弯最大承受力/N 230.2 489 529.4 609.8
抗弯强度/MPa 40.62 68.13 88.41 96.48
弹性模量/GPa 11.36 12.96 18.17 23.51
对比例2
一种炭炭复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将碳布裁剪成60mm×15mm×15mm的碳纤维，并采用自制的60mm×15mm×15mm的碳纤维型号模具对裁剪得到的碳纤维制成碳纤维预制体；
2)将得到的碳纤维预制体置于盛放有中间相沥青浸渍剂的高温反应釜中，然后按照4℃/min的升温速率升温至380℃，开始对高温反应釜进行抽真空处理，抽成真空后通入氮气，使高温反应釜内的压强为10MPa，继续以4℃/min的升温速率升温至450℃，然后在450℃下保持恒温60min；
3)继续以4℃/min的升温速率升温至600℃，保持高温反应釜内的气体压力为10MPa，在600℃下保温120min，随后自然冷却至室温；
4)将经过浸渍处理的碳纤维预制体转移至管式炉中，并在氮气保护氛围下，以5℃/min的升温速率进行升温炭化处理；在升温炭化处理时管式炉内的压强保缓慢升至10MPa，若管式炉内的压强超过10MPa，则通过缓慢放压进行调节，并保持恒温120min，自然冷却至室温；
5)重复对比例2中步骤2)～4)1～6个循环处理过程，每个循环结束检测相应的性能，检测数据如表5所示。
表5对比例2制备的炭炭复合材料的性能测试数据
浸渍炭化次数 1 2 4 6
(g/cm<sup>3</sup>) 1.2151 1.3074 1.5221 1.6534
气孔率/％ 34.89 31.76 26.57 14.97
抗弯最大承受力/N 2208.3 468 525.3 602.6
抗弯强度/MPa 38.62 66.04 89.63 92.98
弹性模量/GPa 10.86 12.06 18.66 23.06
对比例3
一种炭炭复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将碳布裁剪成60mm×15mm×15mm的碳纤维，并采用自制的60mm×15mm×15mm的碳纤维型号模具对裁剪得到的碳纤维制成碳纤维预制体；
2)将得到的碳纤维预制体置于盛放有中间相沥青浸渍剂的高温反应釜中，然后按照3℃/min的升温速率升温至380℃，开始对高温反应釜进行抽真空处理，抽成真空后通入氮气，使高温反应釜内的压强为10MPa，继续以3℃/min的升温速率升温至450℃，然后在450℃下保持恒温60min；
3)继续以3℃/min的升温速率升温至600℃，保持高温反应釜内的气体压力为10MPa，在600℃下保温120min，随后自然冷却至室温；
4)将经过浸渍处理的碳纤维预制体转移至管式炉中，并在氮气保护氛围下，以3℃/min的升温速率进行升温炭化处理；在升温炭化处理时，使得管式炉内的压强保缓慢升至10MPa，若管式炉内的压强超过10MPa，则通过缓慢放压进行调节，并保持恒温恒压120min，自然冷却至室温；
5)重复对比例3中步骤2)～4)1～6个循环处理过程，每个循环结束检测相应的性能，检测数据如表6所示。
表6对比例3制备的炭炭复合材料的性能测试数据
浸渍炭化次数 1 2 4 6
(g/cm<sup>3</sup>) 1.1326 1.3852 1.5546 1.6673
气孔率/％ 35.79 31.29 24.57 15.84
抗弯最大承受力/N 233.5 491 531.6 610.6
抗弯强度/MPa 39.74 66.06 89.12 95.76
弹性模量/GPa 11 11.98 17.8 22.62
上述实施例1～3及对比例1～3的密度、气孔率、抗弯最大承受力、抗弯强度、弹性模量等性能测试中，均按照本领域常规的方法进行，因此本发明实施例不做过多详细描述。
从表1至表6可知，无论是一次浸渍炭化处理还是多次浸渍炭化处理，变压浸渍炭化工艺制备的炭炭复合材料与恒压浸渍炭化工艺制备的炭炭复合材料相比：密度增大5％～15％；孔隙率降低5.5％～25％；抗弯最大承受力增大6％～42％；抗弯强度增大11.0％～40％；弹性模量增大10％～34％。可见，本发明实施例变压浸渍炭化得到的炭炭复合材料各方面性能明显优于常规恒压浸渍炭化得到的炭炭复合材料的性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种炭炭复合材料的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
步骤S01.在氮气或惰性气体的保护氛围中对纤维预制体进行升温浸渍处理，升温速率为3～6℃/min，升温至450～465℃，并在450～465℃下恒温50～80min，并保持浸渍的压强为2～3MPa：
步骤S02.继续以3～6℃/min的升温速率升温至590～600℃，同时将浸渍的压强升至4～5MPa，在590～600℃下恒温100～120min，然后自然冷却；
步骤S03.将步骤S02中冷却得到的物质置于氮气氛围中进行炭化处理，所述炭化处理的升温速率为2～5℃/min，升温至950～1050℃，并在950～1050℃下恒温炭化110～120min；所述炭化处理的升温过程中，温度升至380℃时，压强为2～3MPa，温度升至380～600℃时，压强升至5～6MPa，温度升至600～1050℃时，压强升至8～10MPa；
重复上述步骤S01～步骤S03至少一个周期；
所述升温浸渍处理的浸渍剂为中间相沥青液，所述中间相沥青液经过160目及以上的筛网处理。
2.如权利要求1所述的炭炭复合材料的制备方法，其特征在于：所述浸渍处理采用的设备为高温反应釜。
3.如权利要求1所述的炭炭复合材料的制备方法，其特征在于：所述炭化处理采用的设备为管式炉。
4.如权利要求1所述的炭炭复合材料的制备方法，其特征在于：所述惰性气体为氦气、氩气中的任一种。
5.如权利要求1所述的炭炭复合材料的制备方法，其特征在于：所述纤维预制体由碳布经过裁剪并经过模具定型而成。
6.如权利要求1所述的炭炭复合材料的制备方法，其特征在于：重复周期为4～6个。
7.如权利要求1～6任一项所述的炭炭复合材料的制备方法制备的炭炭复合材料在刹车片中的应用。
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