CN111675547A - 一种准各向同性高导热c/c复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种准各向同性高导热c/c复合材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111675547A
CN111675547A CN202010647049.1A CN202010647049A CN111675547A CN 111675547 A CN111675547 A CN 111675547A CN 202010647049 A CN202010647049 A CN 202010647049A CN 111675547 A CN111675547 A CN 111675547A
Authority
CN
China
Prior art keywords
treatment
composite material
temperature
quasi
carbon fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010647049.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111675547B (zh
Inventor
黄东
叶崇
刘金水
张岳峰
刘玲
吴晃
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hunan Dongying Carbon Materials Technology Co ltd
Original Assignee
Hunan Dongying Carbon Material Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hunan Dongying Carbon Material Technology Co ltd filed Critical Hunan Dongying Carbon Material Technology Co ltd
Priority to CN202010647049.1A priority Critical patent/CN111675547B/zh
Publication of CN111675547A publication Critical patent/CN111675547A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111675547B publication Critical patent/CN111675547B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/71—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/78—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing non-metallic materials
    • C04B35/80—Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like
    • C04B35/83—Carbon fibres in a carbon matrix
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/52—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite
    • C04B35/522—Graphite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6562—Heating rate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6567—Treatment time
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/77—Density
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C04B2235/9607—Thermal properties, e.g. thermal expansion coefficient
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10—Nuclear fusion reactors

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明涉及核聚变用壁垒材料技术领域，尤其涉及一种准各向同性高导热C/C复合材料及其制备方法。该方法将沥青纤维成网后依次进行预氧化处理和碳化处理，得到碳纤维无纺布；在碳纤维无纺布上涂覆碳量子点改性溶液，并进行干燥处理和化学结合处理，再经短切后得到改性碳纤维短切丝；对改性碳纤维短切丝顺次进行混捏、成型和碳化处理，得到一种复合材料；对上述复合材料依次进行浸渍‑碳化处理、封孔处理和石墨化处理，即得准各向同性高导热C/C复合材料。该法制备的准各向同性高导热C/C复合材料不仅具有较好的界面结合状态，而且明显改善了复合材料的各向异性特征，具有较好的强度、致密度和导热性能。

Description

一种准各向同性高导热C/C复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及核聚变用壁垒材料技术领域，尤其涉及一种准各向同性高导热C/C复合材料及其制备方法。
背景技术
核聚变能被认为是能够有效解决未来能源问题的主要途径之一。在实际聚变反应过程中，面向等离子体材料(PFMs，plasmafacingmaterials)与聚变反应环境直接接触，等离子体在反应过程中会产生高的热负荷(10～20MW·m-2)，高的氢/氦等离子体通量(1×1020～1×1024m-2·s-1)和高能量(14.1MeV)的中子辐照，导致材料表面辐照损伤、失效，影响等离子体品质的同时，降低反应堆寿命。这就需要材料具有熔点高、热导率优良、抗热冲击性能强等性能。新一代的限制器壁垒材料将采用高导热C/C复合材料取代传统石墨材料，优化壁垒材料的抗溅射能力和导热能力。
目前的高导热C/C复合材料体系通常各向异性度大，在和铜焊接时既要考虑焊接面的纤维和热解碳分布，又要考虑导热的方向性，设计和制造均和传统的三维C/C复合材料存在差异。与此同时，中间相沥青基碳纤维表面惰性大，沥青碳基体的界面状态与传统的PAN基碳纤维存在差别，需要进行特殊的结构调控和获得良好结合状态的界面结构特征。最后，高导热C/C的准各向同性特征往往伴随着高孔隙率的结构缺陷，易吸附氘氚产生滞留，因此需要进一步提高准各向同性高导热C/C复合材料的致密度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种准各向同性高导热C/C复合材料及其制备方法，该方法制备的准各向同性高导热C/C复合材料不仅具有较好的界面结合状态，具有较高的致密度，而且明显改善了复合材料的各向异性特征。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种准各向同性高导热C/C复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将沥青纤维成网后依次进行预氧化处理和碳化处理，得到碳纤维无纺布；
2)在碳纤维无纺布上涂覆碳量子点改性溶液，并进行干燥处理和化学结合处理，再经短切后得到改性碳纤维短切丝；
3)对改性碳纤维短切丝顺次进行混捏、成型和碳化处理，得到一种复合材料；
4)对上述复合材料依次进行浸渍-碳化处理、封孔处理和石墨化处理，即得准各向同性高导热C/C复合材料。
作为优选，步骤1)中所述预氧化处理的条件是以0.5～3℃/min的升温速率升温至260～300℃。
作为优选，步骤1)中所述碳化处理在保护气体下进行，温度为600～1000℃，时间为10～60min，碳纤维无纺布面密度为10～40g/m2。
作为优选，步骤2)中所述碳量子点改性溶液通过葡萄糖水溶液进行水热反应配置，葡萄糖水溶液的浓度为0.8～1.6g/L，所述水热反应的温度为160～200℃，时间为12～36h。
作为优选，步骤2)中所述涂覆的涂覆量为0.8～1.2L/m2，所述干燥处理的温度为80～100℃，时间为1～5h，所述化学结合处理在保护气体下进行，气压为正压条件，温度为400～600℃，时间为1～2h。
作为优选，步骤3)中所述混捏为改性碳纤维短切丝与中间相沥青混捏，温度为350～380℃，时间为6～24h。
作为优选，步骤3)中所述成型处理的压力为2～3MPa，温度为280～310℃，时间为1～5h；所述碳化处理的压力为40～100MPa，温度为800～1000℃，时间为10～60min。
作为优选，步骤4)中所述浸渍-碳化处理中的浸渍在保护气体下进行，浸渍压力为5～10MPa，温度为200～280℃，时间为0.5～1h；所述碳化处理的压力为40～100MPa，温度为800～1000℃，时间为10～60min；所述的浸渍-碳化处理重复进行1～3次。
作为优选，步骤4)中所述封孔处理的气压为1～3kPa，温度为800～1050℃，时间为50～100h；所述石墨化处理在保护气体下进行，气压为正压条件，温度为2500～3500℃，时间为10～60min。
本发明还提供了一种所述制备方法制备得到的准各向同性高导热C/C复合材料。
本发明的有益效果：
1)本发明从低成本中间相沥青熔融喷纺无纺布开始，在碳化后短切成中间相沥青基碳纤维短切丝，通过短切碳纤维和高残碳中间相沥青混捏得到准各向同性C/C生坯。高残碳沥青的使用结合混捏特殊的升温制度可取代传统的焦炭+沥青黏结剂+改性剂的组合，避免了改性剂和黏结剂在碳化过程中产生的气胀现象，在提高混捏均匀性的同时使坯料体系具有较好的增强效果和较高的致密度。
2)本发明针对中间相沥青基碳纤维表面惰性大的特点，通过喷涂碳量子的溶液在纤维表面引入碳量子点，结合热处理在碳纤维表面固化碳量子点，改善混捏和加压碳化时碳纤维和中间相沥青、沥青碳之间的结合状态，大大减小了复合材料多轮热处理过程中由于纤维、基体热行为失配引起的界面结构缺陷。
3)本发明巧妙的从低成本中间相沥青喷纺制备碳纤维短切丝出发，充分汲取等静压石墨和气相沉积热解碳等工艺优点，利用高残碳中间相沥青同时承担黏结剂和骨料的作用，结合加压碳化和超高温石墨化工艺得到高致密度、高导热、准各向同性的C/C复合材料。
具体实施方式
本发明提供了一种准各向同性高导热C/C复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将沥青纤维成网后依次进行预氧化处理和碳化处理，得到碳纤维无纺布；
2)在碳纤维无纺布上涂覆碳量子点改性溶液，并进行干燥处理和化学结合处理，再经短切后得到改性碳纤维短切丝；
3)对改性碳纤维短切丝顺次进行混捏、成型和碳化处理，得到一种复合材料；
4)对上述复合材料依次进行浸渍-碳化处理、封孔处理和石墨化处理，即得准各向同性高导热C/C复合材料。
在本发明中，所述成网优选利用中间相沥青进行喷纺，沥青纤维在金属网带X、Y方向往复运动条件下成网，金属网带的往复运动的速度优选为0.5～5m/min，进一步优选为1～3m/min。
在本发明中，所述喷纺优选煤系或石油系沥青，沥青的软化点优选为240～290℃，进一步优选为250～280℃，中间相含量优选为80～100％，进一步优选为90～95％，灰分优选≤200ppm，进一步优选≤180ppm，QI含量优选40～60％，进一步优选50～55％。
在本发明中，所述喷纺的压力优选为0.3～5MPa，进一步优选为1～3MPa，纺丝温度优选为260～310℃，进一步优选为280～300℃，风刀速度优选为5～20m/s，进一步优选为10～15m/s，沥青纤维直径优选为12～20μm，进一步优选为15～18μm。
在本发明中，步骤1)中所述预氧化处理的气氛为空气，所述预氧化处理的条件优选以0.5～3℃/min的升温速率升温至260～300℃，进一步优选以1～2℃/min的升温速率升温至270～285℃，升温后无需保温。
在本发明中，步骤1)中所述碳化处理优选在保护气体下进行，温度优选为600～1000℃，进一步优选为700～900℃，时间优选为10～60min，进一步优选为30～45min，碳纤维无纺布面密度优选为10～40g/m2，进一步优选为20～30g/m2。
在本发明中，步骤1)中所述碳化处理的保护气体优选为氮气，升温至所述碳化处理温度的升温速率优选为5～15℃/min，进一步优选为8～10℃/min，所述碳纤维无纺布中纤维在平面内成随机排布。
在本发明中，步骤2)中所述碳量子点改性溶液优选通过葡萄糖水溶液进行水热反应配置，反应后优选进行过滤离心得到碳量子点的水溶液，葡萄糖水溶液的浓度优选为0.8～1.6g/L，进一步优选为1.0～1.4g/L，所述水热反应的温度优选为160～200℃，进一步优选为170～180℃，时间优选为12～36h，进一步优选为18～24h。
在本发明中，步骤2)中所述涂覆的涂覆量优选为0.8～1.2L/m2，进一步优选为0.9～1.1L/m2，所述干燥处理的温度优选为80～100℃，进一步优选为85～90℃，时间优选为1～5h，进一步优选为2～4h。
在本发明中，所述化学结合处理优选在保护气体下进行，所述保护气体优选为氮气，气压优选为正压条件，温度优选为400～600℃，进一步优选为450～500℃，时间优选为1～2h，进一步优选为1.5h；升温至400～600℃过程的升温速率优选为1～5℃/min，进一步优选为2～4℃/min。
在本发明中，步骤2)中所述短切优选将改性后的碳纤维无纺布短切至1～5mm，进一步优选短切至2～3mm。
在本发明中，步骤3)中所述混捏优选将中间相沥青破碎至5～12目，再和改性碳纤维短切丝机械混合，温度优选为350～380℃，进一步优选为360～370℃，时间优选为6～24h，进一步优选为12～16h。
在本发明中，所述混捏的中间相沥青优选高残碳中间相沥青，高残碳中间相沥青经过精致加氢制备而成，其组成优选S含量≤0.2％，N含量≤0.2％，软化点为290～305℃，中间相含量≥99％，灰分≤150ppm，残碳率为80～90％；进一步优选S含量≤0.1％，N含量≤0.1％，软化点为295～300℃，中间相含量≥99.5％，灰分≤140ppm，残碳率为82～85％。
在本发明中，所述混捏的升温制度为：升温至270～285℃(软化点温度减20℃)的升温速率优选为0.1～0.5℃/min，进一步优选为0.2～0.3℃/min，此时优选进行抽取真空，通入氮气，排除水分；升温至305～320℃(软化点温度加15℃)的升温速率优选为1～2℃/min，进一步优选为1.5℃/min；升温至终温(350～380℃)的升温速率优选为4～6℃/min，进一步优选为5℃/min。
在本发明中，步骤3)中所述成型处理优选冷等静压成型，成型处理的压力优选为2～3MPa，进一步优选为2.5MPa，温度优选为280～310℃，进一步优选为290～300℃，时间优选为1～5h，进一步优选为3～4h。
在本发明中，步骤3)中所述碳化处理的压力优选为40～100MPa，进一步优选为60～80MPa，温度优选为800～1000℃，进一步优选为850～900℃，时间优选为10～60min，进一步优选为30～45min，碳化处理完成后自然冷却至室温。
在本发明中，碳化处理的温度升温至260℃过程中的升温速率优选为1～5℃/min，进一步优选为2～4℃/min，升温至500℃过程中的升温速率优选为0.1～1℃/min，进一步优选为0.5～0.8℃/min，升温至终温(800～1000℃)过程的升温速率优选为3～10℃/min，进一步优选为5～8℃/min。
在本发明中，步骤4)中所述浸渍-碳化处理中的浸渍优选在保护气体下进行，所述保护气体优选氮气，浸渍压力优选为5～10MPa，进一步优选为6～8MPa，温度优选为200～280℃，进一步优选为220～260℃，时间优选为0.5～1h，进一步优选为0.6～0.8h。
在本发明中，所述浸渍沥青优选各向同性石油系沥青，沥青的软化点优选为90～140℃，进一步优选为100～120℃，灰分优选≤200ppm，进一步优选≤180ppm，QI含量优选≤1％，进一步优选≤0.9％。
在本发明中，浸渍温度升温至120℃过程中的升温速率优选为1～5℃/min，进一步优选为2～4℃/min，升温至终温(200～280℃)过程的升温速率优选为0.5～1℃/min，进一步优选为0.6～0.8℃/min。
在本发明中，步骤4)中所述碳化处理的压力优选为40～100MPa，进一步优选为60～80MPa，温度优选为800～1000℃，进一步优选为850～900℃，时间优选为10～60min，进一步优选为30～45min，碳化处理完成后自然冷却至室温。
在本发明中，碳化处理的温度升温至260℃过程中的升温速率优选为1～5℃/min，进一步优选为2～4℃/min，升温至500℃过程中的升温速率优选为0.1～1℃/min，进一步优选为0.5～0.8℃/min，升温至终温(800～1000℃)过程的升温速率优选为3～10℃/min，进一步优选为5～8℃/min。
在本发明中，所述的浸渍-碳化处理优选重复进行1～3次，进一步优选重复进行2次；所述浸渍-碳化处理优选增密至1.7～1.9g/cm3，进一步优选增密至1.8g/cm3。
在本发明中，步骤4)中所述封孔处理优选CVD封孔，所述封孔处理的气压优选为1～3kPa，进一步优选为2kPa，温度优选为800～1050℃，进一步优选为900～1000℃，时间优选为50～100h，进一步优选为60～80h；升温至所述封孔处理温度的升温速率优选为3～10℃/min，进一步优选为5～8℃/min，所述封孔处理为升温至封孔处理温度(800～1050℃)进行化学气相沉积。
在本发明中，所述石墨化处理优选在保护气体下进行，所述保护气体优选为氩气，气压优选为正压条件，温度优选为2500～3500℃，进一步优选为2800～3200℃，时间优选为10～60min，进一步优选为30～45min，石墨化处理完成后自然冷却至室温。
在本发明中，石墨化处理的温度升温至2000℃过程中的升温速率优选为5～10℃/min，进一步优选为6～8℃/min，升温至终温(2500～3500℃)过程的升温速率优选为1～3℃/min，进一步优选为2℃/min。
在本发明中，所述正压均指比常压(即常说的一个大气压)的气体压力高的气体状态。
本发明还提供了一种所述制备方法制备得到的准各向同性高导热C/C复合材料。
在本发明中，准各向同性高导热C/C复合材料在X、Y方向上的导热率为240～340W/m·K。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
1)利用煤系中间相沥青进行喷纺，喷纺的压力为0.3MPa，纺丝温度为260℃，风刀速度为5m/s，沥青纤维直径为12μm；沥青纤维在金属网带X、Y方向往复运动条件下成网，金属网带的往复运动的速度为0.5m/min；然后依次进行预氧化处理和碳化处理，所述预氧化处理的气氛为空气，以0.5℃/min的升温速率升温至260℃；所述碳化处理在氮气气氛下进行，温度为600℃，时间为10min，升温至所述碳化处理温度的升温速率为5℃/min，碳纤维无纺布面密度为10g/m2。
2)在碳纤维无纺布上涂覆碳量子点改性溶液，涂覆量为0.8L/m2，碳量子点改性溶液通过葡萄糖水溶液进行水热反应配置，葡萄糖水溶液的浓度为0.8g/L，所述水热反应的温度为160℃，时间为12h；进行干燥处理，干燥处理的温度为80℃，时间为1h；在氮气气氛下进行化学结合处理，气压为正压条件，温度为400℃，时间为1h，升温至400℃过程的升温速率为1℃/min；再将改性后的碳纤维无纺布短切至1mm，得到改性碳纤维短切丝。
3)将高残碳中间相沥青破碎至5目，再和改性碳纤维短切丝机械混合，温度为350℃，时间为6h；混捏的升温制度为：升温至270℃的升温速率为0.1℃/min，抽取真空，通入氮气，排除水分，升温至305℃的升温速率为1℃/min，升温至终温的升温速率为4℃/min；
进行冷等静压成型，成型处理的压力为2MPa，温度为280℃，时间为1h；再进行碳化处理，压力为40MPa，温度为800℃(升温至260℃的升温速率为1℃/min，升温至500℃的升温速率为0.1℃/min，升温至终温的升温速率为3℃/min)，时间为10min，碳化处理完成后自然冷却至室温，得到一种复合材料。
4)对上述复合材料进行浸渍-碳化处理，浸渍在氮气气氛下进行，浸渍沥青为各向同性石油系沥青，浸渍压力为5MPa，温度为200℃(升温至120℃的升温速率为1℃/min，升温至终温的升温速率为0.5℃/min)，时间为0.5h；碳化处理的压力为40MPa，温度为800℃(升温至260℃的升温速率为1℃/min，升温至500℃的升温速率为0.1℃/min，升温至终温的升温速率为3℃/min)，时间为10min，碳化处理完成后自然冷却至室温；所述的浸渍-碳化处理重复进行2次，增密后的密度为1.7g/cm3；
进行CVD封孔处理，气压为1kPa，温度为800℃，时间为50h，升温至所述封孔处理温度的升温速率为3℃/min；在氩气气氛下进行石墨化处理，气压为正压条件，温度为2500℃(升温至2000℃的升温速率为5℃/min，升温至终温的升温速率为1℃/min)，时间为10min，石墨化处理完成后冷却至室温，即得准各向同性高导热C/C复合材料。
实施例2
1)利用煤系中间相沥青进行喷纺，喷纺的压力为2MPa，纺丝温度为280℃，风刀速度为10m/s，沥青纤维直径为15μm；沥青纤维在金属网带X、Y方向往复运动条件下成网，金属网带的往复运动的速度为2m/min；然后依次进行预氧化处理和碳化处理，所述预氧化处理的气氛为空气，以2℃/min的升温速率升温至280℃；所述碳化处理在氮气气氛下进行，温度为800℃，时间为30min，升温至所述碳化处理温度的升温速率为10℃/min，碳纤维无纺布面密度为20g/m2。
2)在碳纤维无纺布上涂覆碳量子点改性溶液，涂覆量为0.9L/m2，碳量子点改性溶液通过葡萄糖水溶液进行水热反应配置，葡萄糖水溶液的浓度为1.2g/L，所述水热反应的温度为180℃，时间为24h；进行干燥处理，干燥处理的温度为90℃，时间为2h；在氮气气氛下进行化学结合处理，气压为正压条件，温度为500℃，时间为1.5h，升温至500℃过程的升温速率为3℃/min；再将改性后的碳纤维无纺布短切至2mm，得到改性碳纤维短切丝。
3)将高残碳中间相沥青破碎至8目，再和改性碳纤维短切丝机械混合，温度为360℃，时间为15h；混捏的升温制度为：升温至280℃的升温速率为0.3℃/min，抽取真空，通入氮气，排除水分，升温至310℃的升温速率为1.5℃/min，升温至终温的升温速率为5℃/min；
进行冷等静压成型，成型处理的压力为2.5MPa，温度为300℃，时间为3h；再进行碳化处理，压力为60MPa，温度为900℃(升温至260℃的升温速率为2℃/min，升温至500℃的升温速率为0.5℃/min，升温至终温的升温速率为5℃/min)，时间为30min，碳化处理完成后自然冷却至室温，得到一种复合材料。
4)对上述复合材料进行浸渍-碳化处理，浸渍在氮气气氛下进行，浸渍沥青为各向同性石油系沥青，浸渍压力为8MPa，温度为240℃(升温至120℃的升温速率为2℃/min，升温至终温的升温速率为0.8℃/min)，时间为0.6h；碳化处理的压力为60MPa，温度为900℃(升温至260℃的升温速率为2℃/min，升温至500℃的升温速率为0.5℃/min，升温至终温的升温速率为5℃/min)，时间为30min，碳化处理完成后自然冷却至室温；所述的浸渍-碳化处理重复进行2次，增密后的密度为1.8g/cm3；
进行CVD封孔处理，气压为2kPa，温度为900℃，时间为80h，升温至所述封孔处理温度的升温速率为5℃/min；在氩气气氛下进行石墨化处理，气压为正压条件，温度为3000℃(升温至2000℃的升温速率为8℃/min，升温至终温的升温速率为2℃/min)，时间为30min，石墨化处理完成后冷却至室温，即得准各向同性高导热C/C复合材料。
实施例3
1)利用石油系中间相沥青进行喷纺，喷纺的压力为5MPa，纺丝温度为310℃，风刀速度为20m/s，沥青纤维直径为20μm；沥青纤维在金属网带X、Y方向往复运动条件下成网，金属网带的往复运动的速度为5m/min；然后依次进行预氧化处理和碳化处理，所述预氧化处理的气氛为空气，以3℃/min的升温速率升温至300℃；所述碳化处理在氮气气氛下进行，温度为1000℃，时间为60min，升温至所述碳化处理温度的升温速率为15℃/min，碳纤维无纺布面密度为40g/m2。
2)在碳纤维无纺布上涂覆碳量子点改性溶液，涂覆量为1.2L/m2，碳量子点改性溶液通过葡萄糖水溶液进行水热反应配置，葡萄糖水溶液的浓度为1.6g/L，所述水热反应的温度为200℃，时间为36h；进行干燥处理，干燥处理的温度为100℃，时间为5h；在氮气气氛下进行化学结合处理，气压为正压条件，温度为600℃，时间为2h，升温至600℃过程的升温速率为5℃/min；再将改性后的碳纤维无纺布短切至5mm，得到改性碳纤维短切丝。
3)将高残碳中间相沥青破碎至12目，再和改性碳纤维短切丝机械混合，温度为380℃，时间为24h；混捏的升温制度为：升温至285℃的升温速率为0.5℃/min，抽取真空，通入氮气，排除水分，升温至320℃的升温速率为2℃/min，升温至终温的升温速率为6℃/min；
进行冷等静压成型，成型处理的压力为3MPa，温度为310℃，时间为5h；再进行碳化处理，压力为100MPa，温度为1000℃(升温至260℃的升温速率为5℃/min，升温至500℃的升温速率为1℃/min，升温至终温的升温速率为10℃/min)，时间为60min，碳化处理完成后自然冷却至室温，得到一种复合材料。
4)对上述复合材料进行浸渍-碳化处理，浸渍在氮气气氛下进行，浸渍沥青为各向同性石油系沥青，浸渍压力为10MPa，温度为280℃(升温至120℃的升温速率为5℃/min，升温至终温的升温速率为1℃/min)，时间为1h；碳化处理的压力为100MPa，温度为1000℃(升温至260℃的升温速率为5℃/min，升温至500℃的升温速率为1℃/min，升温至终温的升温速率为10℃/min)，时间为60min，碳化处理完成后自然冷却至室温；所述的浸渍-碳化处理重复进行3次，增密后的密度为1.9g/cm3；
进行CVD封孔处理，气压为3kPa，温度为1050℃，时间为100h，升温至所述封孔处理温度的升温速率为10℃/min；在氩气气氛下进行石墨化处理，气压为正压条件，温度为3500℃(升温至2000℃的升温速率为10℃/min，升温至终温的升温速率为3℃/min)，时间为60min，石墨化处理完成后冷却至室温，即得准各向同性高导热C/C复合材料。
表1准各向同性高导热C/C复合材料的性能
实施例 强度(MPa) 导热率(W/m·K) 致密度(g/cm<sup>3</sup>)
实施例1 110 315 1.81
实施例2 122 324 1.86
实施例3 130 338 1.87
常规方法制备的各向同性C/C复合材料，碳纤维容易产生偏聚，内部孔隙较多，强度为60～80MPa，致密度通常为1.65～1.72g/cm3，平面导热率为150～160W/m·K。而本发明所制备的准各向同性高导热C/C复合材料强度基本在122MPa左右，导热率在324W/m·K左右，致密度在1.86g/cm3左右，明显改善了复合材料的各项性能。
由以上实施例可知，本发明提供了一种准各向同性高导热C/C复合材料及其制备方法，本发明避免了改性剂和黏结剂在碳化过程中产生的气胀现象，在提高混捏均匀性的同时使坯料体系具有较好的增强效果和较高的致密度；针对中间相沥青基碳纤维表面惰性大的特点，通过喷涂碳量子的溶液在纤维表面引入碳量子点，结合热处理在碳纤维表面固化碳量子点，改善混捏和加压碳化时碳纤维和中间相沥青、沥青碳之间的结合状态，大大减小了复合材料多轮热处理过程中由于纤维、基体热行为失配引起的界面结构缺陷，得到一种准各向同性高导热C/C复合材料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种准各向同性高导热C/C复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将沥青纤维成网后依次进行预氧化处理和碳化处理，得到碳纤维无纺布；
2)在碳纤维无纺布上涂覆碳量子点改性溶液，并进行干燥处理和化学结合处理，再经短切后得到改性碳纤维短切丝；
3)对改性碳纤维短切丝顺次进行混捏、成型和碳化处理，得到一种复合材料；
4)对上述复合材料依次进行浸渍-碳化处理、封孔处理和石墨化处理，即得准各向同性高导热C/C复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种准各向同性高导热C/C复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述预氧化处理的条件是以0.5～3℃/min的升温速率升温至260～300℃。
3.根据权利要求1或2所述的一种准各向同性高导热C/C复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述碳化处理在保护气体下进行，温度为600～1000℃，时间为10～60min，碳纤维无纺布面密度为10～40g/m2。
4.根据权利要求1所述的一种准各向同性高导热C/C复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述碳量子点改性溶液通过葡萄糖水溶液进行水热反应配置，葡萄糖水溶液的浓度为0.8～1.6g/L，所述水热反应的温度为160～200℃，时间为12～36h。
5.根据权利要求1或4所述的一种准各向同性高导热C/C复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述涂覆的涂覆量为0.8～1.2L/m2，所述干燥处理的温度为80～100℃，时间为1～5h，所述化学结合处理在保护气体下进行，气压为正压条件，温度为400～600℃，时间为1～2h。
6.根据权利要求1所述的一种准各向同性高导热C/C复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述混捏为改性碳纤维短切丝与中间相沥青混捏，温度为350～380℃，时间为6～24h。
7.根据权利要求1或6所述的一种准各向同性高导热C/C复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述成型处理的压力为2～3MPa，温度为280～310℃，时间为1～5h；所述碳化处理的压力为40～100MPa，温度为800～1000℃，时间为10～60min。
8.根据权利要求1所述的一种准各向同性高导热C/C复合材料的制备方法，其特征在于，步骤4)中所述浸渍-碳化处理中的浸渍在保护气体下进行，浸渍压力为5～10MPa，温度为200～280℃，时间为0.5～1h；所述碳化处理的压力为40～100MPa，温度为800～1000℃，时间为10～60min；所述的浸渍-碳化处理重复进行1～3次。
9.根据权利要求1或8所述的一种准各向同性高导热C/C复合材料的制备方法，其特征在于，步骤4)中所述封孔处理的气压为1～3kPa，温度为800～1050℃，时间为50～100h；所述石墨化处理在保护气体下进行，气压为正压条件，温度为2500～3500℃，时间为10～60min。
10.权利要求1～9任意一项所述的一种准各向同性高导热C/C复合材料的制备方法制备得到的准各向同性高导热C/C复合材料。
CN202010647049.1A 2020-07-07 2020-07-07 一种准各向同性高导热c/c复合材料及其制备方法 Active CN111675547B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010647049.1A CN111675547B (zh) 2020-07-07 2020-07-07 一种准各向同性高导热c/c复合材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010647049.1A CN111675547B (zh) 2020-07-07 2020-07-07 一种准各向同性高导热c/c复合材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111675547A true CN111675547A (zh) 2020-09-18
CN111675547B CN111675547B (zh) 2022-12-13

Family

ID=72438113

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010647049.1A Active CN111675547B (zh) 2020-07-07 2020-07-07 一种准各向同性高导热c/c复合材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111675547B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113563096A (zh) * 2021-06-23 2021-10-29 湖南省长宁炭素股份有限公司 一种短切炭纤维增强石墨基c/c复合材料的制备方法
CN114213689A (zh) * 2021-12-28 2022-03-22 湖南东映碳材料科技有限公司 一种准各向同性高导热碳纤维预浸料及其制备方法与应用

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1597620A (zh) * 2004-07-21 2005-03-23 中国科学院山西煤炭化学研究所 一种快速制备高导热率炭/炭复合材料的方法
CN103408315A (zh) * 2013-08-09 2013-11-27 航天材料及工艺研究所 一种三维中间相沥青基高热导率碳/碳复合材料及其制备工艺
CN104876580A (zh) * 2015-04-20 2015-09-02 航天材料及工艺研究所 一种轻质高导热碳基材料的制备方法
CN105272330A (zh) * 2015-10-22 2016-01-27 苏州泛珉复合材料科技有限公司 一种快速制备高热导率炭/炭复合材料的方法
CN106631083A (zh) * 2016-09-30 2017-05-10 巩义市泛锐熠辉复合材料有限公司 一种受电弓滑板用短切碳纤维增强碳/碳复合材料的制备方法
CN109437949A (zh) * 2018-11-21 2019-03-08 上海大学 一种高导热碳/碳复合材料的制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1597620A (zh) * 2004-07-21 2005-03-23 中国科学院山西煤炭化学研究所 一种快速制备高导热率炭/炭复合材料的方法
CN103408315A (zh) * 2013-08-09 2013-11-27 航天材料及工艺研究所 一种三维中间相沥青基高热导率碳/碳复合材料及其制备工艺
CN104876580A (zh) * 2015-04-20 2015-09-02 航天材料及工艺研究所 一种轻质高导热碳基材料的制备方法
CN105272330A (zh) * 2015-10-22 2016-01-27 苏州泛珉复合材料科技有限公司 一种快速制备高热导率炭/炭复合材料的方法
CN106631083A (zh) * 2016-09-30 2017-05-10 巩义市泛锐熠辉复合材料有限公司 一种受电弓滑板用短切碳纤维增强碳/碳复合材料的制备方法
CN109437949A (zh) * 2018-11-21 2019-03-08 上海大学 一种高导热碳/碳复合材料的制备方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113563096A (zh) * 2021-06-23 2021-10-29 湖南省长宁炭素股份有限公司 一种短切炭纤维增强石墨基c/c复合材料的制备方法
CN114213689A (zh) * 2021-12-28 2022-03-22 湖南东映碳材料科技有限公司 一种准各向同性高导热碳纤维预浸料及其制备方法与应用
CN114213689B (zh) * 2021-12-28 2024-04-09 湖南东映碳材料科技股份有限公司 一种准各向同性高导热碳纤维预浸料及其制备方法与应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN111675547B (zh) 2022-12-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111675547B (zh) 一种准各向同性高导热c/c复合材料及其制备方法
CN111648128B (zh) 一种准各向同性高导热c/c复合材料及其制备方法
CN104692823B (zh) 一种受电弓用c/c复合材料滑条的制备方法
CN1303040C (zh) 热结构沥青基炭／炭复合材料及其制备方法
US11760638B2 (en) Method for preparing graphene material from industrial hemp by laser induction
CN111960839B (zh) 一种高速列车用受电弓滑板的制备方法
CN113774720B (zh) 一种碳纤维纸及其制备方法
CN104671814A (zh) 一种C/C-SiC-ZrC-TiC复合材料及其制备方法
CN113896561B (zh) 一种液相-气相沉积碳纤维/碳复合热场材料及其制备方法
CN114438783B (zh) 一种高导热c/c复合材料的制备方法
JP3151580B2 (ja) 炭素材料の製造法
CN111893419B (zh) 一种具有碳化硅/硅涂层的炭/炭保温筒及其制备方法
CN114645449A (zh) 一种聚酰亚胺树脂碳改性C/C-SiC摩擦材料的制备方法
CN108609603B (zh) 一种含有石墨烯涂层的碳泡沫及其制备方法
CN112194497A (zh) 一种低温热压高温无压两步法烧结制备c/c复合材料的方法
CN108558423B (zh) 一种低氧含量的连续碳化硅纤维增强Ni-Al/SiCp陶瓷基复合材料的制备方法
CN109650895B (zh) 一种高结晶SiC纤维的制备方法
CN115124360B (zh) 一种碳纤维增韧陶瓷材料及其制备方法
CN115249817B (zh) 一种燃料电池气体扩散层用碳纸材料的催化石墨化方法
CN113292352B (zh) 一种单向高导热碳/碳复合材料的制备方法
CN112897522B (zh) 一种超薄导热石墨膜的制备方法
CN112110742B (zh) 一种高导热C/C-SiC复合材料的制备方法
JPH09316217A (ja) アブレータ材料およびその製造方法
Bello Carbon-fiber composites: Development, structure, properties, and applications
KR100351131B1 (ko) 초고용량 캐패시터 전극재용 고밀도화 활성탄소섬유디스크와 그 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CP01 Change in the name or title of a patent holder
CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: Room 2202, building F1, Lugu Yuyuan, No.27 Wenxuan Road, high tech Development Zone, Changsha City, Hunan Province

Patentee after: Hunan Dongying Carbon Materials Technology Co.,Ltd.

Address before: Room 2202, building F1, Lugu Yuyuan, No.27 Wenxuan Road, high tech Development Zone, Changsha City, Hunan Province

Patentee before: HUNAN DONGYING CARBON MATERIAL TECHNOLOGY CO.,LTD.