CN108947556B - 一种基于单向带工艺的碳碳复合材料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于单向带工艺的碳碳复合材料制备方法，该方法以碳纤维作为增强体，与高残炭树脂制备的料浆复合制备成碳纤维单向带，将单向带进行铺层，经过模压或热压罐成型制成预制体，进而经过碳化‑浸渍循环制备出碳纤维增强碳基复合材料。采用单向带工艺可以实现纤维在基体中均匀分布，并且可以实现连续化生产，避免传统纤维编织形成的曲折引起的性能衰减。

Description

一种基于单向带工艺的碳碳复合材料制备方法

技术领域

本发明是一种基于单向带工艺的碳碳复合材料制备方法，属于复合材料制备技术领域。

背景技术

碳纤维增强碳基复合材料，即碳碳复合材料，具有广泛的应用领域。在军用领域，由于其具有耐高温、韧性好等性能，而被广泛应用于航天飞行器鼻锥、隔热瓦、密封圈等部位；在民用领域，由于具备耐高温、强度高的特点而被广泛用于密封环、刹车盘、及高温螺栓等领域。

专利CN103342572A介绍了一种碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，首先将树脂、碳粉与溶剂混合，再将碳纤维布或短切碳纤维浸渍于树脂与碳粉的混合溶液中，进而经过烘干、加压固化及碳化制备出碳纤维增强碳基复合材料。采用该工艺时，难以使得纤维布表面或短切纤维表面均匀浸渍，并且该工艺效率较低，质量稳定性较差。专利CN104311094A介绍了一种碳碳复合材料的制备方法，采用煤焦油作为浸渍剂，并加入一定比例的路易斯酸催化剂，均匀混合后置于高压釜中，经过催化碳化后即可得到碳/碳复合材料。该工艺制备复合材料过程中使用高压釜，限制了碳碳复合材料的制备尺寸，并且该工艺反应复杂，质量一致性难以控制，难以实现批量化制备构件。此外，该工艺最高催化碳化温度不超过500℃，因此该工艺制备的碳碳复合材料难以在超过500℃以上的高温使用。专利CN105601310A公开了一种碳碳复合材料的制备方法，采用将整体碳毡置于微波炉内进行化学气相沉积的方法，该工艺需用到编织体，使得纤维在编织过程中发生弯折，降低了纤维的强度，并且沉积过程由于气体流动及裂解过程复杂，致使工艺具有耗时长、污染大的特点，难以实现批量化制备碳碳复合材料。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的问题提供了一种基于单向带工艺的碳碳复合材料制备方法，其目的是：

1、与背景技术中所引述的三项专利相比，本发明技术方案通过引入单向带工艺制备碳碳复合材料，可以使得纤维表面均匀浸渍，该工艺通过机械化操作，提高了效率，降低了材料制备周期与成本，并且质量稳定性好；

2、本发明技术方案中的碳碳复合材料的制备是通过铺层的方式实现，可以制备大尺寸构件，易实现批量化制备构件，与专利CN104311094A相比，本发明技术方案所制备的碳碳复合材料的最高碳化温度超过1000℃，因此该工艺制备的碳碳复合材料耐温性能更优异；

3、本发明技术方案中的碳碳复合材料避免传统工艺中纤维编织曲折引起的性能下降问题，并且可以根据构件受力情况，实现特定方向上铺层设计。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种基于单向带工艺的碳碳复合材料制备方法的步骤如下：

步骤一、配置树脂料浆，采用以下两种方法之一：

第一种、将酚醛树脂溶解于乙醇溶剂中，重量比例为1：0.5～3；

第二种、将呋喃树脂直接作为树脂料浆使用；

所述树脂具有高残炭率的特点，其残炭率大于50％；

步骤二、将料浆倒入湿法预浸机胶槽中，采用湿法预浸设备制备出单向带预浸料，并置于室温下干燥5～48小时；

步骤三、将步骤二得到的单向带预浸料置于模具中铺层，并采用压机或热压罐进行成型，成型温度为100～300℃，成型压力为0.5～10MPa，制备得到预制体；

步骤四、将步骤三得到的预制体置于高温炉中进行炭化，炭化温度为800～1200℃之间，保温时间0.2-2h；

步骤五、将得到的制件采用呋喃树脂、酚醛或沥青进行真空浸渍，再在100～130℃温度下进行固化1～3h；

步骤六、将步骤五得到的真空浸渍后的预制体置于高温炉中进行炭化，炭化温度为800～1200℃之间，保温时间0.2～2h，得到多孔体；

步骤七、重复步骤五、步骤六4～6次，制备得到碳碳复合材料。

在步骤一中所述的树脂料浆中添加耐烧蚀性功能性粉体，添加量占最终碳碳复合材料体积的5～30％。

所述耐烧蚀性功能性粉体为二硼化锆、二硼化铪、碳化锆、碳化铪中的一种或几种的混合物。

本发明的优点和特点：

1、本发明技术方案首次引入单向带工艺制备碳碳复合材料，该工艺借鉴树脂基复合材料中湿法单向带技术，该种借鉴跨越不同的技术领域，在实现这种跨越时，本发明技术方案将树脂体系变更为高残炭树脂，进而通过铺层、浸渍、裂解技术实现碳碳复合材料的制备，能够实现树脂在纤维束内均匀分散，并且避免传统工艺中纤维编织曲折引起的性能下降；此外，采用单向带工艺便于实现机械化生产，保证了产品质量一致性，并且降低了材料制备周期与成本；

2.由于单向带预浸料在模具铺层的纤维方向是可以根据构件受力情况进行控制的，在特定方向上实现铺层设计；

3.本发明制备碳碳复合材料时，采用呋喃树脂作为浸渍树脂，无需高压浸渍釜，降低了制备过程中对设备的要求，并且简化了制备流程，适于批量化制备碳碳复合材料。

具体实施方式

以下结合具体实例对本发明技术方案作进一步详述：

实施例1

制备基于单向带工艺的碳碳复合材料的步骤如下：

步骤一、配置树脂料浆，将固态酚醛树脂溶解于乙醇溶剂中，重量比例为1：2；

步骤二、将料浆倒入湿法预浸机胶槽中，采用湿法预浸设备制备出单向带预浸料，并置于室温下干燥12小时；

步骤三、将步骤二得到的单向带预浸料置于模具中铺层，并采用压机进行成型，成型温度为180℃，成型压力为5MPa，制备得到预制体；

步骤四、将步骤三得到的预制体置于高温炉中进行炭化，炭化温度为1000℃之间，保温时间1h；

步骤五、将得到的制件采用呋喃树脂进行真空浸渍，再在110℃温度下进行固化2h；

步骤六、将步骤五得到的真空浸渍后的预制体置于高温炉中进行炭化，炭化温度为1000℃，保温时间1h，得到多孔体；

步骤七、重复步骤五、步骤六4次，制备得到碳碳复合材料。

实施例2

制备基于单向带工艺的碳碳复合材料的步骤如下：

步骤一、配置树脂料浆，将液态酚醛树脂溶解于乙醇溶剂中，重量比例为1：1，树脂完全互溶后，加入二硼化铪粉体，粉体与液态酚醛树脂重量比为0.5：1；

步骤二、将料浆倒入湿法预浸机胶槽中，采用湿法预浸设备制备出单向带预浸料，并置于室温下干燥12小时；

步骤三、将步骤二得到的单向带预浸料置于模具中铺层，并采用压机进行成型，成型温度为150℃，成型压力为5MPa，制备得到预制体；

步骤四、将步骤三得到的预制体置于高温炉中进行炭化，炭化温度为1000℃之间，保温时间1h；

步骤五、将得到的制件采用呋喃树脂进行真空浸渍，再在110℃温度下进行固化2h；

步骤六、将步骤五得到的真空浸渍后的预制体置于高温炉中进行炭化，炭化温度为1000℃，保温时间1h，得到多孔体；

步骤七、重复步骤五、步骤六4次，制备得到含抗烧蚀性粉体的碳碳复合材料，该材料可在有氧气氛下1800摄氏度以上短期使用，也可在无氧气氛下1800摄氏度以上长期使用。

实施例3

制备基于单向带工艺的碳碳复合材料的步骤如下：

步骤一、配置树脂料浆，将酚醛树脂溶解于乙醇溶剂中，重量比例为1：2；

步骤二、将料浆倒入湿法预浸机胶槽中，采用湿法预浸设备制备出单向带预浸料，并置于室温下干燥12小时；

步骤三、将步骤二得到的单向带在圆筒形模具上铺层，铺层中纤维方向沿圆筒形的环向，铺层结束后制备真空袋，并采用高压热压罐进行成型，成型温度为150℃，成型压力为3MPa，制备得到圆筒形预制体；

步骤四、将步骤三得到的圆筒形预制体置于高温炉中进行炭化，炭化温度为1000℃之间，保温时间1h；

步骤五、将圆筒形预制体制件采用呋喃树脂进行真空浸渍，再在110℃温度下进行固化2h；

步骤六、将步骤五得到的真空浸渍后的圆筒形预制体置于高温炉中进行炭化，炭化温度为1000℃，保温时间1h，得到多孔体；

步骤七、重复步骤五、步骤六4次，制备得到碳碳复合材料筒状结构，该工艺可用于制备火焰筒类构件或密封环类构件，该材料可在有氧气氛下1800摄氏度以上短期使用，也可在无氧气氛下1800摄氏度以上长期使用。

Claims (1)

1.一种基于单向带工艺的碳碳复合材料制备方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

步骤一、配置树脂料浆，采用以下两种方法之一：

第一种、将酚醛树脂溶解于乙醇溶剂中，重量比例为1：0.5～3；

第二种、将呋喃树脂直接作为树脂料浆使用；

在步骤一中所述的树脂料浆中添加耐烧蚀性功能性粉体，添加量占最终碳碳复合材料体积的5～30％；

所述耐烧蚀性功能性粉体为二硼化锆、二硼化铪、碳化锆、碳化铪中的一种或几种的混合物；

步骤二、将料浆倒入湿法预浸机胶槽中，采用湿法预浸设备制备出单向带预浸料，并置于室温下干燥5～48小时；

步骤三、将步骤二得到的单向带预浸料置于模具中铺层，并采用压机或热压罐进行成型，成型温度为100～300℃，成型压力为0.5～10MPa，制备得到预制体；

步骤四、将步骤三得到的预制体置于高温炉中进行炭化，炭化温度为800～1200℃之间，保温时间0.2-2h；

步骤五、将得到的制件采用呋喃树脂、酚醛或沥青进行真空浸渍，再在100～130℃温度下进行固化1～3h；

步骤六、将步骤五得到的真空浸渍后的预制体置于高温炉中进行炭化，炭化温度为800～1200℃之间，保温时间0.2～2h，得到多孔体；

步骤七、重复步骤五、步骤六4～6次，制备得到碳碳复合材料。