CN111807853A - 一种碳碳复合材料及其制备工艺与应用 - Google Patents

一种碳碳复合材料及其制备工艺与应用 Download PDF

Info

Publication number
CN111807853A
CN111807853A CN202010648874.3A CN202010648874A CN111807853A CN 111807853 A CN111807853 A CN 111807853A CN 202010648874 A CN202010648874 A CN 202010648874A CN 111807853 A CN111807853 A CN 111807853A
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbon
composite material
impregnant
carbon composite
impregnation
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
CN202010648874.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111807853B (zh
Inventor
刘俊锋
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 Carbon Valley New Material Co ltd
Original Assignee
Hunan Carbon Valley New Material 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 Carbon Valley New Material Co ltd filed Critical Hunan Carbon Valley New Material Co ltd
Priority to CN202010648874.3A priority Critical patent/CN111807853B/zh
Publication of CN111807853A publication Critical patent/CN111807853A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111807853B publication Critical patent/CN111807853B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

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
    • 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
    • C04B35/521—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 obtained by impregnation of carbon products with a carbonisable material
    • 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
    • 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
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/658—Atmosphere during thermal treatment
    • 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

Landscapes

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

Abstract

本发明属于零部件技术领域，具体涉及一种碳碳复合材料及其制备工艺和应用。本发明的制备的碳碳复合材料，按照质量计包括碳纤维20％—36％、气相沉积成碳28％—45％、浸渍成碳26％—48％；本发明碳碳复合材料的制备工艺，包括预制体制备、浸渍剂原料制备、多级增密反应。本发明的碳碳复合材料能在高温和超高温环境中保持常温状态下的力学性能、热物性能和摩擦磨损性能，具有较好的应用前景与市场前景。本发明的制备方法经济效益强，成本低50％，可大批量生产本发明的碳碳复合材料。

Description

一种碳碳复合材料及其制备工艺与应用
技术领域
本发明属于零部件技术领域，具体涉及一种碳碳复合材料及其制备工艺与应用。
背景技术
航天事业发展方兴未艾，对碳碳复合材料的需求与日俱增，是火箭头锥、喉衬、空气舵、喷管的首选材料；刹车盘(片)是飞机、高铁、赛车制动的必备零部件，碳碳复合材料摩擦磨损性能优异，具有轻量化、噪音低、减震性、制动性、安全性好的特点，已经成为本行业生产中急需和渴望的产品。
然而现有的碳碳复合材料制备技术生产周期长，成本高，寿命短，成为制约该材料大规模应用的瓶颈。
因此，急需通过技术创新，形成一整套新的技术方案，能够高效制备高性能、低成本的碳碳复合材料，满足日益增长的市场需求，解决行业痛点。
发明内容
本发明针对现有碳碳复合材料生产周期长，成本高，寿命短等问题，提供一种碳碳复合材料及其制备工艺和应用，本发明能够比传统工艺缩短生产周期40％以上，成本降低50％以上，力学性能提高20％以上，且灰分少，纯度高，在航空航天、半导体等领域具有较好的应用前景与市场前景。本发明的制备方法经济效益强，可高效大批量生产此种碳碳复合材料，能在高温和超高温环境中保持常温状态下的力学性能、热物性能和摩擦磨损性。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：
一种碳碳复合材料，所述碳碳复合材料包括按照质量计包括碳纤维20％—36％、气相沉积成碳28％—45％、浸渍成碳26％—48％。
进一步的，所述碳碳复合材料包括所述的碳纤维25.64％—31.25％、气相沉积成碳33.33％—40.63％、浸渍成碳31.25％—43.59％。
进一步的，所述碳碳复合材料包括碳纤维28％、气相沉积成碳38％、浸渍成碳34％。
进一步的，所述碳纤维为改性碳纤维，所述碳纤维的改性过程为：将碳纤维在含氧小于2％的惰性气体中加热到600～1000℃，保温2.5-3.5h，然后在惰性气体中冷到室温，然后将碳纤维放入浓度为30％-75％浓硝酸氧化1～2小时，用去离子水洗涤至pH＝7之后晾干，最后用浓度为2％～5％的硅烷偶联剂进行涂覆烘干。
进一步的，所述的浸渍成碳由浸渍剂通过反应得到，浸渍剂由乙烯焦油与氢化剂按重量份2:1～3的比例反应后得到的聚合物。
进一步的，氢化剂为四氢萘、四氢喹啉、氢化蒽油、LiAlH4、NaBH4、i-Bu2AlH至少一种。
一种碳碳复合材料的制备工艺，包括预制体制备、浸渍剂原料制备、多级增密反应；
预制体制备包括以下步骤：
S1、坯体制备：按照产品结构将碳纤维编织成三维编织体，得到碳纤维编织体，体积密度为0.3～0.6g/cm3；
S2、化学气相沉积：在密闭反应炉中通入83-88％的天然气、12-17％的氮气，控制炉内压力1-5KPa、温度1050-1150℃、时间70-130h，将碳纤维编织体进行化学气相沉积，得到密度为0.9～1.3g/cm3的拥有气相沉积成碳的预制体；
浸渍剂原料制备：
S3、将乙烯焦油与氢化剂按重量份2:1～3的比例混合后加入反应釜中，将反应釜先抽真空至100Pa以内，然后关闭真空阀,充入惰性气体至反应釜内压强为0.3-0.5MPa；使反应釜内温度升至230～400℃；反应釜内乙烯焦油与氢化剂发生聚合反应，反应0.5-24h，制备得到浸渍用浸渍剂；
多级增密反应：
S4、预制体浸渍：将S2中得到的预制体置入浸渍罐，将浸渍罐抽真空后充惰性气体，在浸渍罐内将预制体加热至280～400度，抽真空至0.5～0.8Pa；将S3中浸渍剂加热至280～400度，加入浸渍罐，使罐体内充满浸渍剂，然后对浸渍罐内液体进行加压，压力为3.5～10MPa，使浸渍剂渗透到预制体中，反应时间为0.5-18h；
S5、炭化处理：将S4中浸渍后的预制体置入炭化炉中，炭化炉抽真空后充满惰性气体，加热至800-1500℃，再恒温炭化6～16小时，得到密度为1.31-1.59g/cm3的含有浸渍成碳的碳碳复合材料；
S6、继续增密：S4和S5步骤反复循环2～8次，得到密度为1.6～2.0g/cm3的碳碳复合材料；
S7、高温处理：将S6中得到的碳碳复合材料进行1800～2600度高温处理，得到最后产品：碳纤维20％—36％、气相沉积成碳28％—45％、浸渍成碳26％—48％。
一种碳碳复合材料的应用，所述碳碳复合材料用于制作火箭耐烧蚀结构件，飞机、运动器的刹车片，半导体生长高温炉结构件等。
一种碳碳复合材料的应用，制备过程依次包括机械加工和表面涂层，所述机械加工为按照产品图纸将所述碳碳复合材料加工成型；所述表面涂层为将机械加工后的碳碳复合材料进行10～50小时的化学气相沉积，形成致密的碳涂层于所述碳碳复合材料表面，得到最终产品。
本发明的有益效果：
1.本发明碳碳复合材料在高速摩擦的情况下，碳涂层可以有效提高摩擦因数的稳定性；而碳碳复合材料本身经过浸渍剂反应后，密度和硬度高，且干湿摩擦系数稳定，耐磨损，使用寿命长且综合性能优异，可以满足飞机制动刹车片需求。
2.本发明在气相沉积以后，通过浸渍炭化得到碳碳复合材料，形成了碳纤维、气相沉积成碳、浸渍成碳三种碳构成的微观结构，其孔隙率更低，密度均匀性更好，力学强度更高，摩擦磨损性能更好，热导率更高；抗烧蚀性能更好。
3.本发明将成型后碳碳复合材料第二次化学气相沉积的碳涂层均布碳碳复合材料表面，使碳碳复合材料内部和表面均具有微纳米结构，使碳碳复合材料即使在高温高速等恶劣情况下也不易氧化，同时也极大程度的改善摩擦学性能和降噪减振性能，提高制动过程的舒适性。
4.本发明产品具有高度的生物降解性，被人体吸收不会产生健康问题；本发明没有使用大量重金属原材料，对环境不会产生污染，属于环境友好型材料；同时该浸渍剂碳收率比树脂浸渍剂碳收率高出50％-150％，从而缩短了生产周期，降低了生产成本。
5.本发明按照飞机标准要求从制得的刹车片样品中取样做摩擦体剪切试验，其中，采用的剪切速率为0.5mm/min，剪切方向为沿固定的剪切面直接施加水平剪力。经检测试样剪切强度达到46.5MPa以上。
6.本发明通过调节原料组分含量和工艺条件，所述的经过检测，碳碳复合材料的硬度36～39.6HB内可调，密度可达到1.85g/cm3；可实现摩擦系数在0.375～0.451范围内调整，磨损量为4.7-7.1mg；摩擦系数稳定度在标称值±3％内，有利于防止刹车抖动。
附图说明
图1为本碳碳复合材料2000倍碳结构金相图；
图2为传统碳碳复合材料2000倍碳结构金相图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
一种碳碳复合材料，所述碳碳复合材料包括按照质量计包括碳纤维20％—36％、气相沉积成碳28％—45％、浸渍成碳26％—48％。
优选的，所述碳碳复合材料包括所述的碳纤维25.64％—31.25％、气相沉积成碳33.33％—40.63％、浸渍成碳31.25％—43.59％。
优选的，所述碳碳复合材料包括碳纤维28％、气相沉积成碳38％、浸渍成碳34％。
优选的，所述碳纤维为改性碳纤维，所述碳纤维的改性过程为：将碳纤维在含氧小于2％的惰性气体中加热到600～1000℃，保温2.5-3.5h，然后在惰性气体中冷到室温，然后将碳纤维放入浓度为30％-75％浓硝酸氧化1～2小时，用去离子水洗涤至pH＝7之后晾干，最后用浓度为2％～5％的硅烷偶联剂进行涂覆烘干。
优选的，所述的浸渍成碳由浸渍剂通过反应得到，浸渍剂由乙烯焦油与氢化剂按重量份2:1～3的比例反应后得到的聚合物。
优选的，氢化剂为四氢萘、四氢喹啉、氢化蒽油、LiAlH4、NaBH4、i-Bu2AlH至少一种。
一种碳碳复合材料的制备工艺，包括预制体制备、浸渍剂原料制备、多级增密反应；预制体制备包括以下步骤：
S1、坯体制备：按照产品结构将碳纤维编织成三维编织体，得到碳纤维编织体，体积密度为0.3～0.6g/cm3；
S2、化学气相沉积：在密闭反应炉中通入83-88％的天然气、12-17％的氮气，控制炉内压力1-5KPa、温度1050-1150℃、时间70-130h，将碳纤维编织体进行化学气相沉积，得到密度为0.9～1.3g/cm3的拥有气相沉积成碳的预制体；
浸渍剂原料制备：
S3、将乙烯焦油与氢化剂按重量份2:1～3的比例混合后加入反应釜中，将反应釜先抽真空至100Pa以内，然后关闭真空阀,充入惰性气体至反应釜内压强为0.3-0.5MPa；使反应釜内温度升至230～400℃；反应釜内乙烯焦油与氢化剂发生聚合反应，反应0.5-24h，制备得到浸渍用浸渍剂；
多级增密反应：
S4、预制体浸渍：将S2中得到的预制体置入浸渍罐，将浸渍罐抽真空后充惰性气体，在浸渍罐内将预制体加热至280～400度，抽真空至0.5～0.8Pa；将S3中浸渍剂加热至280～400度，加入浸渍罐，使罐体内充满浸渍剂，然后对浸渍罐内液体进行加压，压力为3.5～10MPa，使浸渍剂渗透到预制体中，反应时间为0.5-18h；
S5、炭化处理：将S4中浸渍后的预制体置入炭化炉中，炭化炉抽真空后充满惰性气体，加热至800-1500℃，再恒温炭化6～16小时，得到密度为1.31-1.59g/cm3的含有浸渍成碳的碳碳复合材料；
S6、继续增密：S4和S5步骤反复循环2～8次，得到密度为1.6～2.0g/cm3的碳碳复合材料；
S7、高温处理：将S6中得到的碳碳复合材料进行1800～2600度高温处理，得到最后产品；碳纤维20％—36％、气相沉积成碳28％—45％、浸渍成碳26％—48％。
一种碳碳复合材料的应用，所述碳碳复合材料用于制作火箭头锥、喉衬、空气舵、喷管，飞机、运动器的刹车片，半导体生长高温炉结构件等。
一种碳碳复合材料的应用，制备过程依次包括机械加工和表面涂层，所述机械加工为按照产品图纸将所述碳碳复合材料加工成型；所述表面涂层为将机械加工后的碳碳复合材料进行10～50小时的化学气相沉积，形成致密的碳涂层于所述碳碳复合材料表面，得到最终产品。
本发明创造原理描述如下：1.碳纤维经过预氧化处理后，其表面与气象沉积碳更易结合，界面结合紧密。2.通过气相沉积以后，通过浸渍得到碳碳复合材料，形成了碳纤维、气相沉积成碳、浸渍成碳三种碳构成的微观结构，其空隙率更低，密度均匀性更好，力学强度更高，摩擦磨损性能更好，热导率更高。3.采用该浸渍剂碳收率比树脂浸渍剂碳收率高出50％-100％，从而缩短了生产周期，降低了生产成本。
实施例1
一种碳碳复合材料，所述碳碳复合材料包括按照质量计包括碳纤维28％、气相沉积成碳38％、浸渍成碳34％。
所述碳纤维为改性碳纤维，所述碳纤维的改性过程为：将碳纤维在含氧小于2％的惰性气体中加热到800℃，保温3.0h，然后在惰性气体中冷到室温，然后将碳纤维放入浓度为45％浓硝酸氧化1.5小时，用去离子水洗涤至pH＝7之后晾干，最后用浓度为4.5％的硅烷偶联剂进行涂覆烘干。
所述的浸渍成碳由浸渍剂通过反应得到，浸渍剂由乙烯焦油与氢化剂按重量份1:1的比例反应后得到的聚合物。
氢化剂为四氢萘、四氢喹啉、氢化蒽油。
一种碳碳复合材料的制备工艺，包括预制体制备、浸渍剂原料制备、多级增密反应；预制体制备包括以下步骤：
S1、坯体制备：按照产品结构将碳纤维编织成三维编织体，得到碳纤维编织体，体积密度为0.48g/cm3；
S2、化学气相沉积：在密闭反应炉中通入85％的天然气、16.5％的氮气，控制炉内压力4KPa、温度1100℃、时间100h，将碳纤维编织体进行化学气相沉积，得到密度为1.28g/cm3的拥有气相沉积成碳的预制体；
浸渍剂原料制备：
S3、将乙烯焦油与氢化剂按重量份1:1的比例混合后加入反应釜中，将反应釜先抽真空至100Pa以内，然后关闭真空阀,充入惰性气体至反应釜内压强为0.4MPa；使反应釜内温度升至300℃；反应釜内乙烯焦油与氢化剂发生聚合反应，反应12h，制备得到浸渍用浸渍剂；
多级增密反应：
S4、预制体浸渍：将S2中得到的预制体置入浸渍罐，将浸渍罐抽真空后充惰性气体，在浸渍罐内将预制体加热至380度，抽真空至0.7Pa；将S3中浸渍剂加热至350度，加入浸渍罐，使罐体内充满浸渍剂，然后对浸渍罐内液体进行加压，压力为88MPa，使浸渍剂渗透到预制体中，反应时间为12h；
S5、炭化处理：将S4中浸渍后的预制体置入炭化炉中，炭化炉抽真空后充满惰性气体，加热至1200℃，再恒温炭化6～12小时，得到密度为1.55g/cm3的含有浸渍成碳的碳碳复合材料；
S6、继续增密：S4和S5步骤反复循环6次，得到密度为1.89g/cm3的碳碳复合材料；
S7、高温处理：将S6中得到的碳碳复合材料进行2000度高温处理，得到最后产品；碳纤维28％、气相沉积成碳38％、浸渍成碳34％。
一种碳碳复合材料的应用，所述碳碳复合材料用于制作汽车的刹车片。
一种碳碳复合材料的应用，制备过程依次包括机械加工和表面涂层，所述机械加工为按照产品图纸将所述碳碳复合材料加工成型；所述表面涂层为将机械加工后的碳碳复合材料进行30小时的化学气相沉积，形成致密的碳涂层于所述碳碳复合材料表面，得到最终产品。
惰性气体为氮气或氩气。
实施例2
一种碳碳复合材料，所述碳碳复合材料包括按照质量计包括碳纤维25.64％、气相沉积成碳33.77％、浸渍成碳43.59％。
所述碳纤维为改性碳纤维，所述碳纤维的改性过程为：将碳纤维在含氧小于2％的惰性气体中加热到600℃，保温3.0h，然后在惰性气体中冷到室温，然后将碳纤维放入浓度为45％浓硝酸氧化1小时，用去离子水洗涤至pH＝7之后晾干，最后用浓度为2％的硅烷偶联剂进行涂覆烘干。
所述的浸渍成碳由浸渍剂通过反应得到，浸渍剂由乙烯焦油与氢化剂按重量份2:1的比例反应后得到的聚合物。
氢化剂为四氢萘、NaBH4、i-Bu2AlH。
一种碳碳复合材料的制备工艺，包括预制体制备、浸渍剂原料制备、多级增密反应；预制体制备包括以下步骤：
S1、坯体制备：按照产品结构将碳纤维编织成三维编织体，得到碳纤维编织体，体积密度为0.3g/cm3；
S2、化学气相沉积：在密闭反应炉中通入83％的天然气、12％的氮气，控制炉内压力1KPa、温度1050℃、时间70h，将碳纤维编织体进行化学气相沉积，得到密度为0.9g/cm3的拥有气相沉积成碳的预制体；
浸渍剂原料制备：
S3、将乙烯焦油与氢化剂按重量份2:1的比例混合后加入反应釜中，将反应釜先抽真空至100Pa以内，然后关闭真空阀,充入惰性气体至反应釜内压强为0.3MPa；使反应釜内温度升至230℃；反应釜内乙烯焦油与氢化剂发生聚合反应，反应0.5h，制备得到浸渍用浸渍剂；
多级增密反应：
S4、预制体浸渍：将S2中得到的预制体置入浸渍罐，将浸渍罐抽真空后充惰性气体，在浸渍罐内将预制体加热至280度，抽真空至0.5Pa；将S3中浸渍剂加热至280度，加入浸渍罐，使罐体内充满浸渍剂，然后对浸渍罐内液体进行加压，压力为3.5MPa，使浸渍剂渗透到预制体中，反应时间为0.5h；
S5、炭化处理：将S4中浸渍后的预制体置入炭化炉中，炭化炉抽真空后充满惰性气体，加热至800℃，再恒温炭化6小时，得到密度为1.31g/cm3的含有浸渍成碳的碳碳复合材料；
S6、继续增密：S4和S5步骤反复循环2～8次，得到密度为1.6g/cm3的碳碳复合材料；
S7、高温处理：将S6中得到的碳碳复合材料进行1800度高温处理，得到最后产品；碳纤维20％、气相沉积成碳28％、浸渍成碳26％
一种碳碳复合材料的应用，所述碳碳复合材料用于制作碳碳坩埚。
一种碳碳复合材料的应用，制备过程依次包括机械加工和表面涂层，所述机械加工为按照产品图纸将所述碳碳复合材料加工成型；所述表面涂层为将机械加工后的碳碳复合材料进行10小时的化学气相沉积，形成致密的碳涂层于所述碳碳复合材料表面，得到最终产品。
实施例3
一种碳碳复合材料，所述碳碳复合材料包括按照质量计包括碳纤维26％、气相沉积成碳35％、浸渍成碳39％。
所述碳纤维为改性碳纤维，所述碳纤维的改性过程为：将碳纤维在含氧小于2％的惰性气体中加热到1000℃，保温3.5h，然后在惰性气体中冷到室温，然后将碳纤维放入浓度为75％浓硝酸氧化2小时，用去离子水洗涤至pH＝7之后晾干，最后用浓度为5％的硅烷偶联剂进行涂覆烘干。
所述的浸渍成碳由浸渍剂通过反应得到，浸渍剂由乙烯焦油与氢化剂按重量份2:3的比例反应后得到的聚合物。
氢化剂为氢化蒽油、LiAlH4、NaBH4、i-Bu2AlH至少一种。
一种碳碳复合材料的制备工艺，包括预制体制备、浸渍剂原料制备、多级增密反应；预制体制备包括以下步骤：
S1、坯体制备：按照产品结构将碳纤维编织成三维编织体，得到碳纤维编织体，体积密度为0.3～0.6g/cm3；
S2、化学气相沉积：在密闭反应炉中通入88％的天然气、17％的氮气，控制炉内压力5KPa、温度1150℃、时间130h，将碳纤维编织体进行化学气相沉积，得到密度1.3g/cm3的拥有气相沉积成碳的预制体；
浸渍剂原料制备：
S3、将乙烯焦油与氢化剂按重量份2:3的比例混合后加入反应釜中，将反应釜先抽真空至100Pa以内，然后关闭真空阀,充入惰性气体至反应釜内压强为0.5MPa；使反应釜内温度升至400℃；反应釜内乙烯焦油与氢化剂发生聚合反应，反应24h，制备得到浸渍用浸渍剂；
多级增密反应：
S4、预制体浸渍：将S2中得到的预制体置入浸渍罐，将浸渍罐抽真空后充惰性气体，在浸渍罐内将预制体加热至400度，抽真空至0.8Pa；将S3中浸渍剂加热至400度，加入浸渍罐，使罐体内充满浸渍剂，然后对浸渍罐内液体进行加压，压力为10MPa，使浸渍剂渗透到预制体中，反应时间为18h；
S5、炭化处理：将S4中浸渍后的预制体置入炭化炉中，炭化炉抽真空后充满惰性气体，加热至500℃，再恒温炭化16小时，得到密度为1.59g/cm3的含有浸渍成碳的碳碳复合材料；
S6、继续增密：S4和S5步骤反复循环8次，得到密度为2.0g/cm3的碳碳复合材料；
S7、高温处理：将S6中得到的碳碳复合材料进行2600度高温处理，得到最后产品；碳纤维26％、气相沉积成碳35％、浸渍成碳39％。
一种碳碳复合材料的应用，所述碳碳复合材料用于制作喉衬。
一种碳碳复合材料的应用，制备过程依次包括机械加工和表面涂层，所述机械加工为按照产品图纸将所述碳碳复合材料加工成型；所述表面涂层为将机械加工后的碳碳复合材料进行50小时的化学气相沉积，形成致密的碳涂层于所述碳碳复合材料表面，得到最终产品。
实施例4
一种碳碳复合材料，按照质量计包括碳纤维28.12％、气相沉积成碳40.63％、浸渍成碳31.25％。
所述碳纤维为改性碳纤维，所述碳纤维的改性过程为：将碳纤维在含氧小于2％的惰性气体中加热到900℃，保温3.2h，然后在惰性气体中冷到室温，然后将碳纤维放入浓度为40％浓硝酸氧化1小时，用去离子水洗涤至pH＝7之后晾干，最后用浓度为2.8％的硅烷偶联剂进行涂覆烘干。
所述的浸渍成碳由浸渍剂通过反应得到，浸渍剂由乙烯焦油与氢化剂按重量份10:9的比例反应后得到的聚合物。
氢化剂为四氢萘、四氢喹啉、LiAlH4、NaBH4、i-Bu2AlH。
一种碳碳复合材料的应用，所述碳碳复合材料用于制作支撑环。
实施例5
一种碳碳复合材料，所述碳碳复合材料包括按照质量计包括碳纤维20％、气相沉积成碳36.43％、浸渍成碳43.59％。所述碳纤维为改性碳纤维，所述碳纤维的改性过程为：将碳纤维在含氧小于2％的惰性气体中加热到700，保温2.8h，然后在惰性气体中冷到室温，然后将碳纤维放入浓度为30％-75％浓硝酸氧化1.3小时，用去离子水洗涤至pH＝7之后晾干，最后用浓度为3.5％的硅烷偶联剂进行涂覆烘干。
所述的浸渍成碳由浸渍剂通过反应得到，浸渍剂由乙烯焦油与氢化剂按重量份4:3的比例反应后得到的聚合物。
氢化剂为四氢萘、四氢喹啉、氢化蒽油、LiAlH4、NaBH4、i-Bu2AlH。
一种碳碳复合材料的应用，所述碳碳复合材料用于制作高温模具。
对比例1
本对比例中，使用等量的酚醛树脂中添加粒度为10μm的硅粉替代实施例1中的浸渍剂，浸渍剂中碳/硅摩尔比为1.2︰1，其他同实施例1。
对比例2
本对比例中，没有进行S2化学气相沉沉步骤，其他同实施例1。
对比例3
本对比例中，S2直接使用乙烯焦油进行反应，没有添加氢化剂，采用等量氮气反应其他同实施例1。
表1：各实施例及对比例检测参数和对比结果
Figure BDA0002573152840000101
Figure BDA0002573152840000111
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，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、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种碳碳复合材料，其特征在于，碳碳复合材料按照质量计包括碳纤维20％—36％、气相沉积成碳28％—45％、浸渍成碳26％—48％。
2.根据权利要求1所述的一种碳碳复合材料，其特征在于，所述碳碳复合材料包括碳纤维25.64％—31.25％、气相沉积成碳33.33％—40.63％、浸渍成碳31.25％—43.59％。
3.根据权利要求1所述的一种碳碳复合材料，其特征在于，所述碳碳复合材料包括碳纤维28％、气相沉积成碳38％、浸渍成碳34％。
4.根据权利要求1所述的一种碳碳复合材料，其特征在于，所述碳纤维为改性碳纤维，所述碳纤维的改性过程为：将碳纤维在含氧小于2％的惰性气体中加热到600～1000℃，保温2.5-3.5h，然后在惰性气体中冷到室温，然后将碳纤维放入浓度为30％-75％浓硝酸氧化1～2小时，用去离子水洗涤至pH＝7之后晾干，最后用浓度为2％～5％的硅烷偶联剂进行涂覆烘干。
5.根据权利要求1所述的一种碳碳复合材料，其特征在于，所述的浸渍成碳由浸渍剂通过反应得到，浸渍剂由乙烯焦油与氢化剂按重量份2:1～3的比例反应后得到的聚合物。
6.根据权利要求5所述的一种碳碳复合材料，其特征在于，氢化剂为四氢萘、四氢喹啉、氢化蒽油、LiAlH4、NaBH4、i-Bu2AlH至少一种。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种碳碳复合材料的制备工艺，其特征在于，包括预制体制备、浸渍剂原料制备、多级增密反应；
预制体制备包括以下步骤：
S1、坯体制备：按照产品结构将碳纤维编织成3D或2.5D编织体，得到碳纤维编织体，体积密度为0.3～0.6g/cm3；
S2、化学气相沉积：在密闭反应炉中通入83-88％的天然气、12-17％的氮气，控制炉内压力1-5KPa、温度1050-1150℃、时间70-130h，将碳纤维编织体进行化学气相沉积，得到密度为0.9～1.3g/cm3的拥有气相沉积成碳的预制体；
浸渍剂原料制备：
S3、将乙烯焦油与氢化剂按重量份2:1～3的比例混合后加入反应釜中，将反应釜先抽真空至100Pa以内，然后关闭真空阀,充入惰性气体至反应釜内压强为0.3-0.5MPa；使反应釜内温度升至230～400℃；反应釜内乙烯焦油与氢化剂发生聚合反应，反应0.5-24h，制备得到浸渍用浸渍剂；
多级增密反应：
S4、预制体浸渍：将S2中得到的预制体置入浸渍罐，将浸渍罐抽真空后充惰性气体，在浸渍罐内将预制体加热至280～400度，抽真空至0.5～0.8Pa；将S3中浸渍剂加热至280～400度，加入浸渍罐，使罐体内充满浸渍剂，然后对浸渍罐内液体进行加压，压力为3.5～10MPa，使浸渍剂渗透到预制体中，反应时间为0.5-18h；
S5、炭化处理：将S4中浸渍后的预制体置入炭化炉中，炭化炉抽真空后充满惰性气体，程序加热至800-1500℃，再恒温炭化6～16小时，得到密度为1.31-1.59g/cm3的含有浸渍成碳的碳碳复合材料；
S6、继续增密：S4和S5步骤反复循环2～8次，得到密度为1.6～2.0g/cm3的碳碳复合材料；
S7、高温处理：将S6中得到的碳碳复合材料进行1800～2600度高温处理，得到最后产品：碳纤维20％—36％、气相沉积成碳28％—45％、浸渍成碳26％—48％。
8.一种碳碳复合材料的应用，其特征在于，所述碳碳复合材料用于制作耐烧蚀高温结构件；飞机、运动器的刹车片。
9.根据权利要求1-7任意一项所述的一种碳碳复合材料的应用，其特征在于，制备过程依次包括机械加工和表面涂层，所述机械加工为按照产品图纸将所述碳碳复合材料加工成型；所述表面涂层为将机械加工后的碳碳复合材料进行10～50小时的化学气相沉积，形成致密的碳涂层于所述碳碳复合材料表面，得到最终产品。
CN202010648874.3A 2020-07-07 2020-07-07 一种碳碳复合材料及其制备工艺与应用 Active CN111807853B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010648874.3A CN111807853B (zh) 2020-07-07 2020-07-07 一种碳碳复合材料及其制备工艺与应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010648874.3A CN111807853B (zh) 2020-07-07 2020-07-07 一种碳碳复合材料及其制备工艺与应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111807853A true CN111807853A (zh) 2020-10-23
CN111807853B CN111807853B (zh) 2021-05-28

Family

ID=72843195

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010648874.3A Active CN111807853B (zh) 2020-07-07 2020-07-07 一种碳碳复合材料及其制备工艺与应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111807853B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114213137A (zh) * 2022-01-17 2022-03-22 浙江德鸿碳纤维复合材料有限公司 一种碳碳圆环的制备方法及碳碳圆环
CN115231939A (zh) * 2022-07-22 2022-10-25 青岛晶易新材料科技股份有限公司 一种碳碳埚托及其制备方法
CN116375489A (zh) * 2023-04-14 2023-07-04 山东融泽新材料有限公司 一种碳-碳复合材料及其制备方法
CN116693310A (zh) * 2022-06-14 2023-09-05 隆基绿能科技股份有限公司 一种碳-碳复合材料及其制备方法

Citations (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0244019A (ja) * 1988-08-02 1990-02-14 Kawasaki Steel Corp 炭素繊維強化炭素複合材料向け含浸用ピッチ及びその製造方法
JPH04243970A (ja) * 1990-12-27 1992-09-01 Nippon Oil Co Ltd 炭素／炭素複合材料の製造法
CN1887806A (zh) * 2006-07-31 2007-01-03 西北工业大学 碳纤维与热解碳基体中间相沥青过渡层复合材料的制备方法
CN101311143A (zh) * 2008-04-23 2008-11-26 西安超码科技有限公司 一种高温炉用炭/炭进气喷嘴的制备方法
CN101637975A (zh) * 2009-05-15 2010-02-03 西安超码科技有限公司 一种化学气相渗透与树脂浸渍炭化致密制备发热体的方法
CN103193497A (zh) * 2013-04-07 2013-07-10 山东国晶新材料有限公司 一种抗硅侵蚀粘连的碳／碳复合材料制品及其制备方法
CN103553711A (zh) * 2013-09-27 2014-02-05 西安超码科技有限公司 一种复合涂层炭/炭复合材料坩埚及其制备方法
CN104418604A (zh) * 2013-08-21 2015-03-18 甘肃郝氏炭纤维有限公司 一种管类碳/碳复合材料快速制备方法
CN105697614A (zh) * 2016-03-03 2016-06-22 西安航空制动科技有限公司 一种飞机碳-碳复合材料刹车盘及其制作方法
CN105884389A (zh) * 2016-04-19 2016-08-24 李永军 一种低成本密度梯度c/c-sic复合材料的制备方法
CN105924199A (zh) * 2016-04-27 2016-09-07 航天材料及工艺研究所 一种低成本碳/碳复合材料的快速制备方法
CN108046821A (zh) * 2018-01-24 2018-05-18 航天睿特碳材料有限公司 一种多晶硅铸锭炉用碳碳盖板的制备方法
KR101859862B1 (ko) * 2017-01-02 2018-06-28 재단법인 한국탄소융합기술원 Pfo 기반 메조페이스 바인더 피치 제조방법, 이를 포함하는 탄소/탄소 복합재료 제조방법 및 이에 의한 탄소/탄소 복합재료
CN108276790A (zh) * 2018-03-28 2018-07-13 何治伟 一种炭材料专用浸渍剂沥青的制备方法
CN108314458A (zh) * 2018-02-09 2018-07-24 西安天运新材料科技有限公司 一种高导热碳/碳复合材料的制备方法
CN109180210A (zh) * 2018-09-12 2019-01-11 中国科学院金属研究所 一种碳纤维预制体内填充活性炭的方法及其应用
CN109650926A (zh) * 2018-12-30 2019-04-19 镇江顺龙新材料技术开发有限公司 一种石墨烯改性复合材料汽车车架的制备方法
CN109665856A (zh) * 2018-12-30 2019-04-23 镇江顺龙新材料技术开发有限公司 一种双元炭复合材料汽车车架的制备方法
CN110713385A (zh) * 2019-11-28 2020-01-21 湖南博云新材料股份有限公司 一种碳陶摩擦材料的制备方法

Patent Citations (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0244019A (ja) * 1988-08-02 1990-02-14 Kawasaki Steel Corp 炭素繊維強化炭素複合材料向け含浸用ピッチ及びその製造方法
JPH04243970A (ja) * 1990-12-27 1992-09-01 Nippon Oil Co Ltd 炭素／炭素複合材料の製造法
CN1887806A (zh) * 2006-07-31 2007-01-03 西北工业大学 碳纤维与热解碳基体中间相沥青过渡层复合材料的制备方法
CN101311143A (zh) * 2008-04-23 2008-11-26 西安超码科技有限公司 一种高温炉用炭/炭进气喷嘴的制备方法
CN101637975A (zh) * 2009-05-15 2010-02-03 西安超码科技有限公司 一种化学气相渗透与树脂浸渍炭化致密制备发热体的方法
CN103193497A (zh) * 2013-04-07 2013-07-10 山东国晶新材料有限公司 一种抗硅侵蚀粘连的碳／碳复合材料制品及其制备方法
CN104418604A (zh) * 2013-08-21 2015-03-18 甘肃郝氏炭纤维有限公司 一种管类碳/碳复合材料快速制备方法
CN103553711A (zh) * 2013-09-27 2014-02-05 西安超码科技有限公司 一种复合涂层炭/炭复合材料坩埚及其制备方法
CN105697614A (zh) * 2016-03-03 2016-06-22 西安航空制动科技有限公司 一种飞机碳-碳复合材料刹车盘及其制作方法
CN105884389A (zh) * 2016-04-19 2016-08-24 李永军 一种低成本密度梯度c/c-sic复合材料的制备方法
CN105924199A (zh) * 2016-04-27 2016-09-07 航天材料及工艺研究所 一种低成本碳/碳复合材料的快速制备方法
KR101859862B1 (ko) * 2017-01-02 2018-06-28 재단법인 한국탄소융합기술원 Pfo 기반 메조페이스 바인더 피치 제조방법, 이를 포함하는 탄소/탄소 복합재료 제조방법 및 이에 의한 탄소/탄소 복합재료
CN108046821A (zh) * 2018-01-24 2018-05-18 航天睿特碳材料有限公司 一种多晶硅铸锭炉用碳碳盖板的制备方法
CN108314458A (zh) * 2018-02-09 2018-07-24 西安天运新材料科技有限公司 一种高导热碳/碳复合材料的制备方法
CN108276790A (zh) * 2018-03-28 2018-07-13 何治伟 一种炭材料专用浸渍剂沥青的制备方法
CN109180210A (zh) * 2018-09-12 2019-01-11 中国科学院金属研究所 一种碳纤维预制体内填充活性炭的方法及其应用
CN109650926A (zh) * 2018-12-30 2019-04-19 镇江顺龙新材料技术开发有限公司 一种石墨烯改性复合材料汽车车架的制备方法
CN109665856A (zh) * 2018-12-30 2019-04-23 镇江顺龙新材料技术开发有限公司 一种双元炭复合材料汽车车架的制备方法
CN110713385A (zh) * 2019-11-28 2020-01-21 湖南博云新材料股份有限公司 一种碳陶摩擦材料的制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
郭晓波: "中间相沥青基炭/炭复合材料的制备及性能研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114213137A (zh) * 2022-01-17 2022-03-22 浙江德鸿碳纤维复合材料有限公司 一种碳碳圆环的制备方法及碳碳圆环
CN116693310A (zh) * 2022-06-14 2023-09-05 隆基绿能科技股份有限公司 一种碳-碳复合材料及其制备方法
CN115231939A (zh) * 2022-07-22 2022-10-25 青岛晶易新材料科技股份有限公司 一种碳碳埚托及其制备方法
CN116375489A (zh) * 2023-04-14 2023-07-04 山东融泽新材料有限公司 一种碳-碳复合材料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111807853B (zh) 2021-05-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111807853B (zh) 一种碳碳复合材料及其制备工艺与应用
CN105565837B (zh) 一种碳陶复合材料的制备方法及其应用
CN107673773B (zh) 石墨烯改性炭纤维增强碳化硅复合材料的制备方法
CN106478125B (zh) 一种B4C改性C/C-SiC刹车材料的制备方法
CN107010979B (zh) 新型碳纤维增强碳化硅复合材料的制备方法
CN101260005B (zh) 一种炭/炭/碳化硅复合材料的制备方法
CN108484173B (zh) SiCf/SiC复合材料及其制备方法
CN114409420A (zh) 氧化铝纤维增强莫来石陶瓷基复合材料及其制备方法
CN112645725B (zh) 一种带有台阶结构的陶瓷基复合材料构件及其制备方法
CN113526973B (zh) 一种具有双界面相的透波陶瓷基复合材料及其制备方法
CN111960839B (zh) 一种高速列车用受电弓滑板的制备方法
CN110563479A (zh) 一种超高温陶瓷基复合材料及其制备方法
CN115677370A (zh) 一种碳陶刹车材料的制备方法
CN113072387A (zh) 一种碳纤维缠绕坩埚及其制备方法
CN115028456A (zh) 碳化硅纤维废丝增强碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法
CN113800935A (zh) 一种原位自生SiC(nw,np)-ZrB2-ZrC改性碳/碳复合材料的制备方法
CN113121253B (zh) 一种超高温C/SiHfBCN陶瓷基复合材料及其制备方法
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
CN107973612B (zh) 一种PCS/LPVCS组合使用制备Cf/SiC复合材料的方法
CN108417278B (zh) 一种高辐照稳定性的金属型燃料芯块的制备方法
CN112374906A (zh) 一种碳纤维增韧碳化硅-碳化锆复合材料的制备方法
CN109851382A (zh) 一种C/C-TiC陶瓷基复合材料及原位反应法制备该陶瓷基复合材料的方法
CN110041089A (zh) 一种碳/陶摩擦材料及其制备方法
CN110820323B (zh) 一种碳纤维表面Si-C-O陶瓷抗氧化涂层的制备方法
CN110158309B (zh) 一种制备表面具有碳化硅涂层的碳纤维的方法

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