CN109232009A - 一种碳纤维材料的制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维材料的制备工艺，本发明由骨架和填充物构成；骨架包括碳纤维和石英纤维；填充物包括氧化铝、氮化硅和碳化硼；碳纤维材料是以碳纤维和石英纤维预制体为骨架，骨架的空隙间填充氧化铝、氮化硅和碳化硼构成的填充物，通过预制的骨架大大减轻了材料的重量，将预制的骨架与氧化铝、氮化硅和碳化硼混合填充物进行共混，从而改善了力学的性能，提高了抗热抗冲击力的性能，使碳纤维材料可以适用于传统材料无法工作的特殊工作环境，性能更佳。

Description

一种碳纤维材料的制备工艺
技术领域
本发明属于碳纤维相关技术领域，具体涉及一种碳纤维材料的制备工艺。
背景技术
碳纤维(carbon fiber，简称CF)，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。现有的碳纤维材料存在着一些不足之处，其在抗热抗力冲击方面的性能无法满足一些特定的工作条件，需要进行一定程度的改进提升。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种碳纤维材料的制备工艺，将预制的骨架与氧化铝、氮化硅和碳化硼混合填充物进行共混，从而改善了力学的性能，提高了抗热抗冲击力的性能，使碳纤维材料可以适用于传统材料无法工作的特殊工作环境，性能更佳。
本发明的目的是这样实现的：
一种碳纤维材料的制备工艺，包括骨架和填充物；骨架包括碳纤维和石英纤维；填充物包括氧化铝、氮化硅和碳化硼；碳纤维材料是以碳纤维和石英纤维预制体为骨架，骨架的空隙间填充氧化铝、氮化硅和碳化硼构成的填充物；以质量百分比计，各组分含量为：碳纤维25～60％，石英纤维10～20％，氧化铝10～20％，氮化硅10～20％，碳化硼10～20％。
优选的，所述碳纤维和石英纤维预制体构成的骨架为三维状，且包括针刺或细编穿刺。
优选的，所述碳纤维表面还包括1.8～2.2μm的基体碳。
优选的，所述碳纤维性能等级为T800。
优选的，所述氧化铝、氮化硅和碳化硼的颗粒平均内径均为0.8～2.1μm。
优选的，所述制备步骤：
步骤一、骨架加工：将碳纤维和石英纤维通过针刺或细编穿刺的加工得到预制体骨架；制作过程需要进行沉炭处理：将骨架在800～1000度高温这种加热30～40分钟，即可得到表面覆盖基体炭的预制体骨架；
步骤二、填充物填充：将氧化铝、氮化硅和碳化硼倒入4～10倍重量的无水乙醇中，通过球磨处理4～6小时，最后通过除去无水乙醇，将其混合物进行烘干处理，即得混合陶瓷粉体，从而得出填充物；使用的球磨机转速为700转/分钟。
步骤三、混合：将步骤步骤一、的预制体骨架与步骤步骤二、的混合陶瓷粉体填充物混合均匀填充，通过混料机进行混合，并在真空炉中高温烧结，即得轻质碳纤维复合材料；其中，烧结温度为1800～2200℃，烧结时间为3～4小时。
与现有技术相比，本发明提供了一种碳纤维材料的制备工艺，具备以下有益效果：
本发明由骨架和填充物构成；骨架包括碳纤维和石英纤维；填充物包括氧化铝、氮化硅和碳化硼；碳纤维材料是以碳纤维和石英纤维预制体为骨架，骨架的空隙间填充氧化铝、氮化硅和碳化硼构成的填充物，通过预制的骨架大大减轻了材料的重量，将预制的骨架与氧化铝、氮化硅和碳化硼混合填充物进行共混，从而改善了力学的性能，提高了抗热抗冲击力的性能，使碳纤维材料可以适用于传统材料无法工作的特殊工作环境，性能更佳。
具体实施方式
本发明涉及的一种碳纤维材料的制备工艺，包括骨架和填充物；骨架包括碳纤维和石英纤维；填充物包括氧化铝、氮化硅和碳化硼；碳纤维材料是以碳纤维和石英纤维预制体为骨架，骨架的空隙间填充氧化铝、氮化硅和碳化硼构成的填充物；以质量百分比计，各组分含量为：碳纤维25～60％，石英纤维10～20％，氧化铝10～20％，氮化硅10～20％，碳化硼10～20％。
本发明中，优选的，碳纤维和石英纤维预制体构成的骨架为三维状，且包括针刺或细编穿刺。
本发明中，优选的，碳纤维表面还包括1.8～2.2μm的基体碳。
本发明中，优选的，碳纤维性能等级为T800。
本发明中，优选的，氧化铝、氮化硅和碳化硼的颗粒平均内径均为0.8～2.1μm。
本发明中，优选的，制备步骤：
步骤一、骨架加工：将碳纤维和石英纤维通过针刺或细编穿刺的加工得到预制体骨架；制作过程需要进行沉炭处理：将骨架在800～1000度高温这种加热30～40分钟，即可得到表面覆盖基体炭的预制体骨架；
步骤二、填充物填充：将氧化铝、氮化硅和碳化硼倒入4～10倍重量的无水乙醇中，通过球磨处理4～6小时，最后通过除去无水乙醇，将其混合物进行烘干处理，即得混合陶瓷粉体，从而得出填充物；使用的球磨机转速为700转/分钟。
步骤三、混合：将步骤步骤一、的预制体骨架与步骤步骤二、的混合陶瓷粉体填充物混合均匀填充，通过混料机进行混合，并在真空炉中高温烧结，即得轻质碳纤维复合材料；其中，烧结温度为1800～2200℃，烧结时间为3～4小时。
本发明的工作原理及使用流程：
流程1：一种碳纤维材料的制备工艺，包括骨架和填充物；骨架包括碳纤维和石英纤维；填充物包括氧化铝、氮化硅和碳化硼；碳纤维材料是以碳纤维和石英纤维预制体为骨架，骨架的空隙间填充氧化铝、氮化硅和碳化硼构成的填充物；以质量百分比计，各组分含量为：碳纤维40％，石英纤维15％，氧化铝15％，氮化硅15％，碳化硼15％。
步骤：步骤一、骨架加工：将碳纤维和石英纤维通过针刺或细编穿刺的加工得到预制体骨架；制作过程需要进行沉炭处理：将骨架在800度高温这种加热30分钟，即可得到表面覆盖基体炭的预制体骨架；
步骤二、填充物填充：将氧化铝、氮化硅和碳化硼倒入4倍重量的无水乙醇中，通过球磨处理4小时，最后通过除去无水乙醇，将其混合物进行烘干处理，即得混合陶瓷粉体，从而得出填充物；使用的球磨机转速为700转/分钟。
步骤三、混合：将步骤步骤一、的预制体骨架与步骤步骤二、的混合陶瓷粉体填充物混合均匀填充，通过混料机进行混合，并在真空炉中高温烧结，即得轻质碳纤维复合材料；其中，烧结温度为1800℃，烧结时间为3小时。
流程2：一种碳纤维材料的制备工艺，包括骨架和填充物；骨架包括碳纤维和石英纤维；填充物包括氧化铝、氮化硅和碳化硼；碳纤维材料是以碳纤维和石英纤维预制体为骨架，骨架的空隙间填充氧化铝、氮化硅和碳化硼构成的填充物；以质量百分比计，各组分含量为：碳纤维45％，石英纤维15％，氧化铝15％，氮化硅15％，碳化硼10％。
步骤：步骤一、骨架加工：将碳纤维和石英纤维通过针刺或细编穿刺的加工得到预制体骨架；制作过程需要进行沉炭处理：将骨架在900度高温这种加热35分钟，即可得到表面覆盖基体炭的预制体骨架；
步骤二、填充物填充：将氧化铝、氮化硅和碳化硼倒入6倍重量的无水乙醇中，通过球磨处理5小时，最后通过除去无水乙醇，将其混合物进行烘干处理，即得混合陶瓷粉体，从而得出填充物；使用的球磨机转速为700转/分钟。
步骤三、混合：将步骤步骤一、的预制体骨架与步骤步骤二、的混合陶瓷粉体填充物混合均匀填充，通过混料机进行混合，并在真空炉中高温烧结，即得轻质碳纤维复合材料；其中，烧结温度为1900℃，烧结时间为3.5小时。
流程3：一种碳纤维材料的制备工艺，包括骨架和填充物；骨架包括碳纤维和石英纤维；填充物包括氧化铝、氮化硅和碳化硼；碳纤维材料是以碳纤维和石英纤维预制体为骨架，骨架的空隙间填充氧化铝、氮化硅和碳化硼构成的填充物；以质量百分比计，各组分含量为：碳纤维50％，石英纤维15％，氧化铝15％，氮化硅10％，碳化硼10％。
步骤：步骤一、骨架加工：将碳纤维和石英纤维通过针刺或细编穿刺的加工得到预制体骨架；制作过程需要进行沉炭处理：将骨架在1000度高温这种加热40分钟，即可得到表面覆盖基体炭的预制体骨架；
步骤二、填充物填充：将氧化铝、氮化硅和碳化硼倒入10倍重量的无水乙醇中，通过球磨处理6小时，最后通过除去无水乙醇，将其混合物进行烘干处理，即得混合陶瓷粉体，从而得出填充物；使用的球磨机转速为700转/分钟。
步骤三、混合：将步骤步骤一、的预制体骨架与步骤步骤二、的混合陶瓷粉体填充物混合均匀填充，通过混料机进行混合，并在真空炉中高温烧结，即得轻质碳纤维复合材料；其中，烧结温度为2000℃，烧结时间为4小时。
对上述1-3得出的碳纤维材料进行性能测试，分别对其力学的性能，提高了抗热抗冲击力的性能进行测试，得出流程3中得出的碳纤维材料抗热抗冲击力的性能更高，且力学性能更佳，可以适用于不同特殊的工作环境。
另外：需要注意的是，上述具体实施方式仅为本专利的一个优化方案，本领域的技术人员根据上述构思所做的任何改动或改进，均在本专利的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种碳纤维材料的制备工艺，其特征在于：包括骨架和填充物；骨架包括碳纤维和石英纤维；填充物包括氧化铝、氮化硅和碳化硼；碳纤维材料是以碳纤维和石英纤维预制体为骨架，骨架的空隙间填充氧化铝、氮化硅和碳化硼构成的填充物；以质量百分比计，各组分含量为：碳纤维25～60％，石英纤维10～20％，氧化铝10～20％，氮化硅10～20％，碳化硼10～20％。
2.如权利要求1所述的一种碳纤维材料的制备工艺，其特征在于：碳纤维和石英纤维预制体构成的骨架为三维状，且包括针刺或细编穿刺。
3.如权利要求1所述的一种碳纤维材料的制备工艺，其特征在于：碳纤维表面还包括1.8～2.2μm的基体碳。
4.如权利要求1所述的一种碳纤维材料的制备工艺，其特征在于：碳纤维性能等级为T800。
5.如权利要求1所述的一种碳纤维材料的制备工艺，其特征在于：氧化铝、氮化硅和碳化硼的颗粒平均内径均为0.8～2.1μm。
6.如权利要求1所述的一种碳纤维材料的制备工艺，其特征在于：制备步骤：
步骤一、骨架加工：将碳纤维和石英纤维通过针刺或细编穿刺的加工得到预制体骨架；制作过程需要进行沉炭处理：将骨架在800～1000度高温这种加热30～40分钟，即可得到表面覆盖基体炭的预制体骨架；
步骤二、填充物填充：将氧化铝、氮化硅和碳化硼倒入4～10倍重量的无水乙醇中，通过球磨处理4～6小时，最后通过除去无水乙醇，将其混合物进行烘干处理，即得混合陶瓷粉体，从而得出填充物；使用的球磨机转速为700转/分钟；
步骤三、混合：将步骤步骤一、的预制体骨架与步骤步骤二、的混合陶瓷粉体填充物混合均匀填充，通过混料机进行混合，并在真空炉中高温烧结，即得轻质碳纤维复合材料；其中，烧结温度为1800～2200℃，烧结时间为3～4小时。
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