CN108329048A - 一种碳/碳复合材料的连接方法 - Google Patents

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Abstract

一种碳/碳复合材料的连接方法，包括以下步骤：将碳/碳复合材料表面预氧化处理，使其表面形成尽可能多的沟壑，便于连接层与碳/碳复合材料形成曲折的连接界面，随后采用化学气相沉积工艺在预氧化后的碳/碳复合材料表面原位生长碳纳米管，将生长有碳纳米管的碳/碳复合材料嵌在一起，用石墨夹具固定，采用化学气相渗透工艺在长有碳纳米管的碳/碳复合材料之间沉积热解碳，得到用碳纳米管/热解碳中间层连接的C/C复合材料，本发明的主要技术效果在于：与陶瓷基、玻璃基以及金属基连接层相比，本发明制备的碳基连接层与C/C复合材料热膨胀系数匹配，具有抗热震性能优异且连接强度高的特点。

Description

一种碳/碳复合材料的连接方法
技术领域
本发明涉及碳/碳复合材料的连接方法技术领域，特别涉及一种碳/碳复合材料的连接方法。
背景技术
碳/碳复合材料是由碳纤维增强碳基体组成的多相碳素材料，具有高比强度、抗烧蚀、耐高温、化学惰性、低热膨胀系数和耐摩擦磨损性能等性能，作为高温热结构材料被广泛应用于航空、航天以及军事等高科技领域。
随着工程技术的快速发展，需通过连接技术将简单形状的碳/碳复合材料组合起来，获得具有大尺寸或复杂形状的构件以满足特殊需求。碳/碳复合材料制备成本高昂，连接技术也可将废旧碳/碳构件组合起来实现碳/碳复合材料的循环再利用。例如，连接磨损变薄的飞机刹车盘，使其形成完整的可以重新使用的刹车盘，就具有非常大的市场应用潜力。过去几十年，陶瓷基、玻璃基和金属基等材料已被广泛研究作为中间连接层连接碳/碳复合材料，并获得了优异的连接性能。但是这些连接材料作为异质中间层，与碳/碳复合材料热膨胀系数不匹配，经高低温环境中反复使用后，热失配会严重退化碳/碳复合材料与连接层之间的界面结合强度，导致连接构件的可靠性和稳定性大幅度下降，无法满足实际需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳/碳复合材料的连接方法，采用同质连接层连接碳/碳复合材料，具体是在碳/碳复合材料与其自身之间原位合成碳纳米管增强热解碳连接层，解决异质基连接层与碳/碳复合材料因热膨胀系数不匹配而导致的抗热震性能差的问题，为碳/碳连接件在高低温环境中的反复使用提供途径。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种碳/碳复合材料的连接方法，包括以下步骤：
步骤一，预氧化处理
将碳/碳复合材料表面预氧化处理，使其表面形成尽可能多的沟壑，便于连接层与碳/碳复合材料形成曲折的连接界面，预氧化处理温度为800～1000℃，预氧化处理时间为1～10min；
步骤二，原位生长碳纳米管
采用化学气相沉积工艺在步骤一得到的碳/碳复合材料表面原位生长碳纳米管，生长工艺条件为：将含有催化剂前驱体的液态碳源注入到管式炉中，催化剂前驱体浓度为0.01～0.1g/ml，注射速率为0.1～0.5ml/min，生长温度为750～900℃，氢气/氩气流量比值为0.1～1，生长时间为0.5～2h，得到表面生长有碳纳米管的碳/碳复合材料；
步骤三，连接
将生长有碳纳米管的碳/碳复合材料嵌在一起，用石墨夹具固定，采用化学气相渗透工艺沉积热解碳，沉积工艺条件为：沉积温度1000～1300℃，天然气10～60L/h，氮气100～300L/h，沉积时间50～200h，得到用碳纳米管/热解碳中间层连接的碳/碳复合材料。
所述的步骤二中催化剂前驱体为二茂铁、二茂镍、二茂钴的一种或几种的混合。
所述的步骤二中液态碳源为碳氢化合物、碳氢氧化合物的一种或几种的混合。
本发明的有益效果：
本发明提出的一种碳/碳复合材料的连接方法，采用碳纳米管增强热解碳中间连接层实现了碳/碳复合材料与其自身的连接。碳纳米管如“脚支架”横跨在碳/碳复合材料之间，不仅极大增强热解碳连接层的内聚力以及连接层与碳/碳基体之间的界面结合强度，而且还为热解碳连接层提供额外的侧向力学支持，大大增强碳/碳复合材料的连接强度。本发明的主要技术效果在于：本发明制备的碳纳米管/热解碳连接层与碳/碳复合材料热膨胀系数匹配，抗热震性能优异且连接强度高，平均剪切强度高达16.5～21.8MPa。
附图说明
图1是本发明实施例1所制备的碳/碳复合材料表面原位生长的碳纳米管SEM照片。
图2是本发明实施例1所制备的碳纳米管/热解碳连接层截面SEM照片。
图3是本发明实施例1所制备的碳纳米管/热解碳连接层连接的碳/碳复合材料在剪切试验过程中的应力-应变曲线。
图4是本发明实施例1所制备的碳纳米管/热解碳连接层连接的碳/碳复合材料剪切断面SEM照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
1.将碳/碳复合材料切割为12×8×4mm3的长方体试样，放入1000℃高温马弗炉中预氧化8min。
2.将预氧化后的碳/碳试样放入管式炉中，采用化学气相沉积工艺原位生长碳纳米管，生长工艺条件为：二甲苯为碳源，二茂铁为催化剂前驱体，二茂铁浓度为0.03g/ml，生长温度为850℃，氩气流量1000ml/min，氢气流量100ml/min，注射速率0.2ml/min，生长1h得到表面生长有碳纳米管的碳/碳试样。
3.将表面生长有碳纳米管的碳/碳试样嵌在一起并用石墨夹具固定，放入化学气相沉积炉中沉积热解碳进行连接，加热沉积炉至1050℃，通入天然气40L/h，氮气160L/h，沉积120h得到用碳纳米管/热解碳中间层连接的碳/碳试样。试验结果表明：其剪切强度高达21.8MPa。由图1可见，碳/碳试样表面被碳纳米管均匀覆盖，长度约3～8μm。由图2可见，碳纳米管/热解碳中间层致密且与碳/碳基体结合紧密。由图3可见，在剪切试验过程中，试样的断裂为典型的脆性断裂。由图4可见，在试样断裂面中观察到大量断裂的碳纳米管，说明碳纳米管伸入热解碳连接层中不仅加固热解碳，而且还为连接层提供额外的侧向力学支持。
实施例2：
采用实施例1相同的方法，将碳纳米管的生长时间调整为0.5h，试验结果表明：碳纳米管/热解碳中间层连接的碳/碳试样剪切强度达到16.5MPa。
实施例3：
1.将碳/碳复合材料切割为12×8×4mm3的长方体试样，并放入800℃高温马弗炉中预氧化5min。
2.将预氧化后的碳/碳试样放入管式炉中，采用化学气相沉积工艺原位生长碳纳米管，生长工艺条件为：乙醇为碳源，二茂镍为催化剂前驱体，二茂镍浓度为0.01g/ml，生长温度为900℃，氩气流量300ml/min，氢气流量100ml/min，注射速率0.5ml/min，生长1h得到表面生长有碳纳米管的碳/碳试样。
3.将表面生长有碳纳米管的碳/碳试样嵌在一起，用石墨夹具固定放入化学气相沉积炉中沉积热解碳进行连接，沉积温度为1100℃，天然气60L/h，氮气200L/h，沉积时间80h，得到用碳纳米管/热解碳中间层连接的碳/碳试样。试验结果表明：其剪切强度高达19.3MPa。
实施例4：
1.将碳/碳复合材料切割为12×8×4mm3的长方体试样，并放入900℃高温马弗炉中预氧化10min。
2.将预氧化后的碳/碳试样放入管式炉中，采用化学气相沉积工艺原位生长碳纳米管，生长工艺条件为：正己烷为碳源，二茂铁为催化剂前驱体，二茂铁浓度为0.1g/ml，生长温度为750℃，氩气流量400ml/min，氢气流量100ml/min，注射速率0.1ml/min，生长1.5h得到表面生长有碳纳米管的碳/碳试样。
3.将表面生长有碳纳米管的碳/碳试样嵌在一起，用石墨夹具固定放入化学气相沉积炉中沉积热解碳进行连接，沉积温度为1050℃，天然气60L/h，氮气200L/h，沉积时间120h，得到用碳纳米管/热解碳中间层连接的碳/碳试样。试验结果表明：其剪切强度高达19.8MPa。

Claims (3)

1.一种碳/碳复合材料的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将碳/碳复合材料表面预氧化处理，使其表面形成尽可能多的沟壑，便于连接层与碳/碳复合材料形成曲折的连接界面，预氧化处理温度为800～1000℃，预氧化处理时间为1～10min；
步骤二，采用化学气相沉积工艺在预氧化处理的碳/碳复合材料表面原位生长碳纳米管，生长工艺条件为：将含有催化剂前驱体的液态碳源注射到管式炉中，催化剂前驱体浓度为0.01～0.1g/ml，注射速率为0.1～0.5ml/min，生长温度为750～900℃，氢气/氩气流量比值为0.1～1，生长时间为0.5～2h，得到表面生长有碳纳米管的碳/碳复合材料；
步骤三，将生长有碳纳米管的碳/碳复合材料嵌在一起，用石墨夹具固定，采用化学气相渗透工艺沉积热解碳，沉积工艺条件为：沉积温度1000～1300℃，天然气10～60L/h，氮气100～300L/h，沉积时间50～200h，得到用碳纳米管/热解碳中间层连接的碳/碳复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种碳/碳复合材料的连接方法，其特征在于，所述的步骤二中催化剂前驱体为二茂铁、二茂镍、二茂钴的一种或几种的混合。
3.根据权利要求1所述的一种碳/碳复合材料的连接方法，其特征在于，所述的步骤二中液态碳源为碳氢化合物、碳氢氧化合物的一种或几种的混合。
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