CN108794038B - 一种基于原位聚合的低成本碳纤维增强碳基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于原位聚合的低成本碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，其内容包括以下顺序步骤：（1）选择一种或几种低成本单体；（2）将现配的氯化铝离子液体涂布在碳纤维预制体的表面；（3）将(1)中所述单体，乙醇溶液和现配的氯化铝离子液体混合配制成溶液，将涂布氯化铝离子液体后的碳纤维预制体放入装有所配制溶液的真空浸渍罐中，通入氩气，罐内压力为0.2~0.5Mpa，放置1~15min后取出；（4）将样品放入真空高温热解炉中，通入氩气，压力为700~1200Pa，温度为180~250℃，反应20~60min；（5）继续升温至900~1100℃，升温速率为5℃/min，升温完成后保温1~5h，之后取出样品；（6）样品性能检测，若孔隙率<15%，则为合格品；若孔隙率≥15%，则重复步骤(2)~(5)。

Description

一种基于原位聚合的低成本碳纤维增强碳基复合材料的制备 方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，特别是涉及一种基于原位聚合的低成本碳纤维增强碳基复合材料的制备方法。

背景技术

碳碳（C/C）复合材料是以碳纤维或各种碳纤维织物作为骨架，在碳纤维周围填充热解碳或树脂碳而形成的复合材料，也被称为碳纤维增强碳基复合材料。因该材料整个体系均为碳元素构成，所以不论它是在低温还是在高温下，都有很好的稳定性；具备低热膨胀系数、高热导率、高气化温度和良好的抗热震性能、抗烧烛性能等热性能，使其可应用于短时间烧烛的环境中；密度低（仅为陶瓷材料的，镇基高温合金的摩擦磨损性能优异，摩擦系数小、性能稳定，使其成为各种耐磨件与摩擦件的最佳候选材料；此外，优异的高温力学性能，如高强度、高模量、良好的断裂韧性，以及其强度随温度的增加不降反升的特性，使其成为世纪的关键新材料之一。以上的优异性能使得复合材料在航空航天，医用和工业等领域得到广泛应用，如：航空航天领域，C/C复合材料作为刹车盘，火箭发动机的喉衬和喷管，飞行器鼻锥帽，机翼前缘等；医用领域，C/C复合材料可作为人工骨豁和紧固材料，还可用作牙根植入口腔中；机械制造领域，C/C复合材料作为真空炉发热体、热压与超塑性模具材料，使用寿命远远高于石墨材料。另外，还可用于发动机活塞与活塞环、汽车刹车用材料和各种高性能密封材料等；在生产单、多晶娃及半导体材料领域，C/C复合材料讲祸托、发热体、保温筒、紧固件）能满足各种大尺寸的热场要求；在有色金属、钢铁冶金领域，C/C复合材料可以作为高温导热承力部件和紧固件；此外，还可以应用于生产玻璃时用复合材料代替石棉制造格融玻璃的滑道；卫星通讯抛物面无线电天线反射器；核反应堆中无线电频率限幅器等。

申请号为CN03141798.1的专利提出了碳-碳复合材料的制备方法，其内容包括充分利用木材结构所特有的多孔结构和多孔特征以及其化学组分，通过对木材结构进行预处理，形成碳-碳复合材料的预成型模板骨架，然后通过对碳的先驱体化合物的浸渍以及后续的致密化、石墨化处理，实现木材宏观结构向碳-碳复合材料的转化，从而制备得到具有高综合性能的碳-碳复合材料。制得的高综合性能新型碳-碳复合材料一方面具有设计自由度高的特点，另一方面具有轻质、耐烧蚀、耐磨擦、高温强度高、耐氧化等优良性能。

申请号为CN03141798.1的专利提出了一种制备碳-碳复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：(a)提供可固化低粘度芳族环氧树脂液态制剂，其中所述制剂在添加任选的组分之前、在固化之前和在碳化之前，在25℃时具有小于10000mPa-s的净粘度；并且其中经受固化的制剂具有至少35 %的碳收率，不考虑碳基质和存在于所述组合物中的任何任选组分的重量；(b)使碳基质与步骤(a)的制剂接触；(c)固化步骤(b)的所述接触碳基质；和(d)碳化步骤(c)的所述固化碳基质以形成碳-碳复合材料。

以上两种发明一定程度上解决了低成本制备碳碳复合材料制备的问题。申请号为201511032983.8的中国专利虽然提出了一种低成本制备碳碳复合材料的制备方法，但其模型骨架但由于外壳表面气孔率仍有15%~20%，长期使用可能导致气体进入芯材内部是由木材结构进行预处理得到，其形态难以控制，使得所致材料与所需材料产生加大差距，大大增加后期处理难度。申请号为CN03141798.1的中国专利同样公布了一种低成本碳碳复合材料的制备方法，但该方法需要非常长时间的固化热解，耗能量巨大，其低成本程度尚不足以大量生产。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种基于原位聚合的低成本碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下顺序步骤：

1.一种基于原位聚合的低成本碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下顺序步骤：

（1）选择一种或几种低成本单体，然后将该单体放入研钵研磨，完成后得到直径为0.001~0.2mm的粉末，所述单体包括萘、蒽、甲基强的松龙、乙基萘、四氢化萘、芘、并五苯、菲、甲基菲、乙基菲；

（2）将一定量的无水AlCl₃缓慢加入已知量的Et₃NHCl中, 加料完毕后, 在70~90℃下用磁力搅拌1~5h ，得到浅棕色透亮的离子液体，所得离子液体的摩尔比为1~3（AlCl₃:Et₃NHCl），然后将配好的氯化铝离子液体涂布在碳纤维预制体的表面；

（3）将乙醇和氯化铝离子液体按10：1的比例混合配制成溶液，然后将粉末状单体溶于混合溶液中，并在水浴条件下搅拌10~30min，得到浸渍液体；

（4）将涂布有氯化铝离子液体后的碳纤维预制体放入到真空浸渍罐中，浸渍罐内装有（3）中所得的浸渍液，通入氩气，罐内压力为0.2~0.5Mpa，放置1~15min后取出；

（5）将样品放入真空高温热解炉中，通入氩气，压力为700~1200Pa，温度为180~250℃，反应20~60min；

（6）继续升温至900~1100℃，升温速率为5℃/min，升温完成后保温1~5h，之后取出样品；

（7）样品性能检测，若孔隙率<15%，则为合格品；若孔隙率≥15%，则重复步骤(2)~(6)。

本发明的优点：（1）所制备材料能在1600℃以上的环境下使用；（2）所制备材料强度高，适用范围广；（3）该材料制备方法周期短、能耗低，生产成本低，可大规模生产。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。

实施例1

1.一种基于原位聚合的低成本碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下顺序步骤：

（1）选择一种或几种低成本单体，然后将该单体放入研钵研磨，完成后得到直径为0.01mm的粉末，所述单体包括萘、蒽、甲基强的松龙、乙基萘、四氢化萘、芘、并五苯、菲、甲基菲、乙基菲；

（2）将一定量的无水AlCl₃缓慢加入已知量的Et₃NHCl中, 加料完毕后, 在80 ℃下用磁力搅拌2h ，得到浅棕色透亮的离子液体，所得离子液体的摩尔比为1.5（AlCl₃:Et₃NHCl），然后将配好的氯化铝离子液体涂布在碳纤维预制体的表面；

（3）将乙醇和氯化铝离子液体按10：1的比例混合配制成溶液，然后将粉末状单体溶于混合溶液中，并在水浴条件下搅拌20min，得到浸渍液体；

（4）将涂布有氯化铝离子液体后的碳纤维预制体放入到真空浸渍罐中，浸渍罐内装有（3）中所得的浸渍液，通入氩气，罐内压力为0.4Mpa，放置10min后取出；

（5）将样品放入真空高温热解炉中，通入氩气，压力为1000Pa，温度为200℃，反应50min；

（6）继续升温至1000℃，升温速率为5℃/min，升温完成后保温3h，之后取出样品；

（7）样品性能检测，孔隙率<15%，为合格品。

上述仅为本发明的一个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于原位聚合的低成本碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下顺序步骤：

（1）选择一种或几种低成本单体，然后将该单体放入研钵研磨，完成后得到直径为0.001~0.2mm的粉末，所述单体包括萘、蒽、甲基强的松龙、乙基萘、四氢化萘、芘、并五苯、菲、甲基菲、乙基菲；

（2）将一定量的无水AlCl₃缓慢加入已知量的Et₃NHCl中, 加料完毕后, 在70~90 ℃下用磁力搅拌1~5h ，得到浅棕色透亮的离子液体，所得离子液体的摩尔比为1~3（AlCl₃:Et₃NHCl），然后将配好的氯化铝离子液体涂布在碳纤维预制体的表面；

（3）将乙醇和氯化铝离子液体按10：1的比例混合配制成溶液，然后将粉末状单体溶于混合溶液中，并在水浴条件下搅拌10~30min，得到浸渍液体；

（4）将涂布有氯化铝离子液体后的碳纤维预制体放入到真空浸渍罐中，浸渍罐内装有（3）中所得的浸渍液，通入氩气，罐内压力为0.2~0.5Mpa，放置1~15min后取出；

（5）将样品放入真空高温热解炉中，通入氩气，压力为700~1200Pa，温度为180~250℃，反应20~60min；

（6）继续升温至900~1100℃，升温速率为5℃/min，升温完成后保温1~5h，之后取出样品；

（7）样品性能检测，若孔隙率<15%，则为合格品；若孔隙率≥15%，则重复步骤(2)~(6)。