CN114276157A - 一种高纯炭基复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高纯炭基复合材料，其特征在于，所述高纯炭基复合材料的骨架为网胎‑碳纤维布‑缠绕‑叠层径向针刺的碳纤维预制体，通过快速气相沉积后经高温纯化处理，最后在表面沉积一层致密的热解炭涂层制备而成。本发明公开的高纯炭基复合材料纯度高、机械性能优异、导热和摩擦磨损性能佳；该高纯炭基复合材料表面孔隙率小，能阻止腐蚀性气体快速向材料内部渗透，延长材料的使用寿命，实现碳基复合材料兼顾成本和性能的优势，满足N型单晶热场的使用需求。
Description
技术领域
本发明涉及炭基复合材料技术领域，尤其涉及一种高纯炭基复合材料。
背景技术
炭基复合材料是一种碳纤维增强材料，其在界面、结构、导热和抗氧化等方面有着优异的性能，并在航空、航天、医疗、体育用品等领域有着广泛的应用。目前常见的炭基复合材料仍存在一些问题，如碳基材料的表面惰性较强，在烧结过程中与粘结剂的界面结合力差，因而制备的材料机械性能较差，不能满足一些需要考虑材料强度的热管理场合的应用要求。可见，有必要寻求更为有效的方法，对现有炭基复合材料的机械性能进行改善，以满足在对强度要求高的场合中的使用要求。
高纯度是炭基复合材料结构本身的需要，也是半导体、LED、光伏等行业高端零部件对材料的需求。理想的炭基复合材料不仅需要具有高的纯度、优异的机械性能，还需要具有较好的导热和摩擦磨损性能。
中国专利CN101121823A公开了一种天然石墨基复合材料的制备方法，该方法在原料中加入了具有增强作用的填料炭纳米管、炭纤维或者碳化硅纤维，提高材料的强度，同时原料中加入催化石墨化组元，提高材料的石墨化度，进而提高材料的热导率。但是该方法在添加陶瓷组元时，由于陶瓷与基体的密度差异较大，很难在基体中分布均匀，且其在一定程度上增大了材料的比重，影响了材料的力学性能。
可见，本领域仍然需要一种纯度高、机械性能优异、导热和摩擦磨损性能佳的高纯炭基复合材料。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种纯度高、机械性能优异、导热和摩擦磨损性能佳的高纯炭基复合材料，该高纯炭基复合材料表面孔隙率小，能阻止腐蚀性气体快速向材料内部渗透，延长材料的使用寿命，实现碳基复合材料兼顾成本和性能的优势，满足N型单晶热场的使用需求。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高纯炭基复合材料，其特征在于，所述高纯炭基复合材料的骨架为网胎-碳纤维布-缠绕-叠层径向针刺的碳纤维预制体，通过快速气相沉积后经高温纯化处理，最后在表面沉积一层致密的热解炭涂层制备而成。
优选的，所述高纯炭基复合材料包括高致密碳涂层、短纤维网胎、碳纤维和碳纤维布。
优选的，所述短纤维网胎为短炭纤维网胎，是将炭纤维切成短炭纤维，再将短炭纤维梳理而成。
优选的，所述碳纤维包括轴向纤维缠绕和环向纤维缠绕。
优选的，所述短纤维网胎、碳纤维的质量比为(5-20):(40-60)。
优选的，所述短纤维网胎单层厚度为0.05～0.5mm。
优选的，所述碳纤维为沥青基炭纤维、聚丙烯腈炭纤维中的任意一种。
优选的，所述网胎-碳纤维布-缠绕-叠层径向针刺预制体的成型工艺，依次包括碳纤维短切、改性、机械松散、成网烘干、编织、铺层堆叠、纤维立体缠绕、针刺、裁切、测试和包装步骤。
优选的，所述改性，是将碳纤维、1,3,5-三[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮、溶剂混合均匀后获得浆料，再将浆料进行微波干燥，获得改性后的碳纤维。
优选的，所述碳纤维、1,3,5-三[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮、溶剂的质量比为(3-5):(0.1-0.3):(4-6)。
优选的，所述溶剂为乙醇、异丙醇、丙酮中的任意一种。
优选的，所述微波干燥温度为130-310℃，干燥时间为0.5～2h。
优选的，所述快速气相沉积是在CVI炉内进行的，碳源为天然气、丙烷按质量比1:(2-3)混合形成的混合气体。
优选的，所述快速气相沉积过程中通入氢气作为载气，以控制沉积速度；沉积温度为900～1200℃，系统压强为8～12KPa，沉积速率为0.5～2.2μm/h。
优选的，所述高温纯化处理具体为在650-900℃惰性气体氛围下进行高温处理2-4小时。
优选的，所述惰性气体为氮气、氦气、氖气、氩气中的任意一种。
附图说明
图1为本发明涉及的高纯碳基复合材料结构示意图。
图2为本发明涉及的网胎-碳纤维布-缠绕-叠层径向针刺预制体成型工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合对本发明优选实施方案进行详细说明。
一种高纯炭基复合材料，其特征在于，所述高纯炭基复合材料的骨架为网胎-碳纤维布-缠绕-叠层径向针刺的碳纤维预制体，通过快速气相沉积后经高温纯化处理，最后在表面沉积一层致密的热解炭涂层制备而成。
优选的，所述高纯炭基复合材料包括高致密碳涂层、短纤维网胎、碳纤维和碳纤维布。
优选的，所述短纤维网胎为短炭纤维网胎，是将炭纤维切成短炭纤维，再将短炭纤维梳理而成。
优选的，所述碳纤维包括轴向纤维缠绕和环向纤维缠绕。
优选的，所述短纤维网胎、碳纤维的质量比为(5-20):(40-60)。
优选的，所述短纤维网胎单层厚度为0.05～0.5mm。
优选的，所述碳纤维为沥青基炭纤维、聚丙烯腈炭纤维中的任意一种。
优选的，所述网胎-碳纤维布-缠绕-叠层径向针刺预制体的成型工艺，依次包括碳纤维短切、改性、机械松散、成网烘干、编织、铺层堆叠、纤维立体缠绕、针刺、裁切、测试和包装步骤。
优选的，所述改性，是将碳纤维、1,3,5-三[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮、溶剂混合均匀后获得浆料，再将浆料进行微波干燥，获得改性后的碳纤维。
优选的，所述碳纤维、1,3,5-三[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮、溶剂的质量比为(3-5):(0.1-0.3):(4-6)。
优选的，所述溶剂为乙醇、异丙醇、丙酮中的任意一种。
优选的，所述微波干燥温度为130-310℃，干燥时间为0.5～2h。
优选的，所述快速气相沉积是在CVI炉内进行的，碳源为天然气、丙烷按质量比1:(2-3)混合形成的混合气体。
优选的，所述快速气相沉积过程中通入氢气作为载气，以控制沉积速度；沉积温度为900～1200℃，系统压强为8～12KPa，沉积速率为0.5～2.2μm/h。
优选的，所述高温纯化处理具体为在650-900℃惰性气体氛围下进行高温处理2-4小时。
优选的，所述惰性气体为氮气、氦气、氖气、氩气中的任意一种。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明提供的一种高纯炭基复合材料，通过结构和网胎-碳纤维布-缠绕-叠层径向针刺预制体成型工艺的调整，使得制成的高纯炭基复合材料纯度高、机械性能优异、导热和摩擦磨损性能佳，该高纯炭基复合材料表面孔隙率小，能阻止腐蚀性气体快速向材料内部渗透，延长材料的使用寿命，实现碳基复合材料兼顾成本和性能的优势，满足N型单晶热场的使用需求。
下面将结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1
一种高纯炭基复合材料，其特征在于，所述高纯炭基复合材料的骨架为网胎-碳纤维布-缠绕-叠层径向针刺的碳纤维预制体，通过快速气相沉积后经高温纯化处理，最后在表面沉积一层致密的热解炭涂层制备而成。
所述高纯炭基复合材料包括高致密碳涂层、短纤维网胎、碳纤维和碳纤维布。
所述短纤维网胎为短炭纤维网胎，是将炭纤维切成短炭纤维，再将短炭纤维梳理而成。
所述碳纤维包括轴向纤维缠绕和环向纤维缠绕。
所述短纤维网胎、碳纤维的质量比为5:40。
所述短纤维网胎单层厚度为0.05mm。
所述碳纤维为沥青基炭纤维。
所述网胎-碳纤维布-缠绕-叠层径向针刺预制体的成型工艺，依次包括碳纤维短切、改性、机械松散、成网烘干、编织、铺层堆叠、纤维立体缠绕、针刺、裁切、测试和包装步骤。
所述改性，是将碳纤维、1,3,5-三[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮、溶剂混合均匀后获得浆料，再将浆料进行微波干燥，获得改性后的碳纤维；所述碳纤维、1,3,5-三[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮、溶剂的质量比为3:0.1:4；所述溶剂为乙醇；所述微波干燥温度为130℃，干燥时间为0.5h。
所述快速气相沉积是在CVI炉内进行的，碳源为天然气、丙烷按质量比1:2混合形成的混合气体；所述快速气相沉积过程中通入氢气作为载气，以控制沉积速度；沉积温度为900℃，系统压强为8KPa，沉积速率为0.5μm/h。
所述高温纯化处理具体为在650℃惰性气体氛围下进行高温处理2小时；所述惰性气体为氮气。
经检测，所得样品常温下的X-Y向弯曲强度为252.3MPa。
实施例2
一种高纯炭基复合材料，其与实施例1基本相同，不同的是，所述短纤维网胎、碳纤维的质量比为8:45；所述短纤维网胎单层厚度为0.25mm；所述碳纤维、1,3,5-三[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮、溶剂的质量比为3.5:0.15:4.5；所述溶剂为异丙醇；所述微波干燥温度为200℃，干燥时间为0.9h；所述快速气相沉积是在CVI炉内进行的，碳源为天然气、丙烷按质量比1:2.2混合形成的混合气体；所述快速气相沉积过程中通入氢气作为载气，以控制沉积速度；沉积温度为1000℃，系统压强为9KPa，沉积速率为1μm/h；所述高温纯化处理具体为在710℃惰性气体氛围下进行高温处理2.5小时；所述惰性气体为氦气。
经检测，所得样品常温下的X-Y向弯曲强度为257.5MPa。
实施例3
一种高纯炭基复合材料，其与实施例1基本相同，不同的是，所述短纤维网胎、碳纤维的质量比为13:50；所述短纤维网胎单层厚度为0.35mm；所述碳纤维、1,3,5-三[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮、溶剂的质量比为4:0.2:5；所述溶剂为丙酮；所述微波干燥温度为240℃，干燥时间为1.4h；所述快速气相沉积是在CVI炉内进行的，碳源为天然气、丙烷按质量比1:2.5混合形成的混合气体；所述快速气相沉积过程中通入氢气作为载气，以控制沉积速度；沉积温度为1050℃，系统压强为10KPa，沉积速率为1.6μm/h；所述高温纯化处理具体为在800℃惰性气体氛围下进行高温处理3小时；所述惰性气体为氖气。
经检测，所得样品常温下的X-Y向弯曲强度为260.1MPa。
实施例4
一种高纯炭基复合材料，其与实施例1基本相同，不同的是，所述短纤维网胎、碳纤维的质量比为18:55；所述短纤维网胎单层厚度为0.45mm；所述碳纤维、1,3,5-三[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮、溶剂的质量比为4.5:0.25:5.5；所述溶剂为乙醇；所述微波干燥温度为280℃，干燥时间为1.6h；所述快速气相沉积是在CVI炉内进行的，碳源为天然气、丙烷按质量比1:2.8混合形成的混合气体；所述快速气相沉积过程中通入氢气作为载气，以控制沉积速度；沉积温度为1150℃，系统压强为11KPa，沉积速率为2.0μm/h；所述高温纯化处理具体为在820℃惰性气体氛围下进行高温处理3.5小时；所述惰性气体为氖气。
经检测，所得样品常温下的X-Y向弯曲强度为263.0MPa。
实施例5
一种高纯炭基复合材料，其与实施例1基本相同，不同的是，所述短纤维网胎、碳纤维的质量比为20:60；所述短纤维网胎单层厚度为0.5mm；所述碳纤维、1,3,5-三[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮、溶剂的质量比为5:0.3:6；所述溶剂为乙醇；所述微波干燥温度为310℃，干燥时间为2h；所述快速气相沉积是在CVI炉内进行的，碳源为天然气、丙烷按质量比1:3混合形成的混合气体；所述快速气相沉积过程中通入氢气作为载气，以控制沉积速度；沉积温度为1200℃，系统压强为12KPa，沉积速率为2.2μm/h；所述高温纯化处理具体为在900℃惰性气体氛围下进行高温处理4小时；所述惰性气体为氩气。
经检测，所得样品常温下的X-Y向弯曲强度为264.2MPa。
对比例1
一种高纯炭基复合材料，其与实施例1基本相同，不同的是，没有改性步骤。
经检测，所得样品常温下的X-Y向弯曲强度为225.4MPa。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据依据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高纯炭基复合材料，其特征在于，所述高纯炭基复合材料的骨架为网胎-碳纤维布-缠绕-叠层径向针刺的碳纤维预制体，通过快速气相沉积后经高温纯化处理，最后在表面沉积一层致密的热解炭涂层制备而成。
2.根据权利要求1所述高纯炭基复合材料，其特征在于，所述高纯炭基复合材料包括高致密碳涂层、短纤维网胎、碳纤维和碳纤维布。
3.根据权利要求2所述高纯炭基复合材料，其特征在于，所述短纤维网胎为短炭纤维网胎，是将炭纤维切成短炭纤维，再将短炭纤维梳理而成。
4.根据权利要求2所述高纯炭基复合材料，其特征在于，所述碳纤维包括轴向纤维缠绕和环向纤维缠绕。
5.根据权利要求2所述高纯炭基复合材料，其特征在于，所述短纤维网胎、碳纤维的质量比为(5-20):(40-60)；所述短纤维网胎单层厚度为0.05～0.5mm；所述碳纤维为沥青基炭纤维、聚丙烯腈炭纤维中的任意一种。
6.根据权利要求1所述高纯炭基复合材料，其特征在于，所述网胎-碳纤维布-缠绕-叠层径向针刺预制体的成型工艺，依次包括碳纤维短切、改性、机械松散、成网烘干、编织、铺层堆叠、纤维立体缠绕、针刺、裁切、测试和包装步骤。
7.根据权利要求6所述高纯炭基复合材料，其特征在于，所述改性，是将碳纤维、1,3,5-三[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮、溶剂混合均匀后获得浆料，再将浆料进行微波干燥，获得改性后的碳纤维。
8.根据权利要求7所述高纯炭基复合材料，其特征在于，所述碳纤维、1,3,5-三[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮、溶剂的质量比为(3-5):(0.1-0.3):(4-6)；所述溶剂为乙醇、异丙醇、丙酮中的任意一种；所述微波干燥温度为130-310℃，干燥时间为0.5～2h。
9.根据权利要求1所述高纯炭基复合材料，其特征在于，所述快速气相沉积是在CVI炉内进行的，碳源为天然气、丙烷按质量比1:(2-3)混合形成的混合气体；所述快速气相沉积过程中通入氢气作为载气，以控制沉积速度；沉积温度为900～1200℃，系统压强为8～12KPa，沉积速率为0.5～2.2μm/h。
10.根据权利要求1所述高纯炭基复合材料，其特征在于，所述高温纯化处理具体为在650-900℃惰性气体氛围下进行高温处理2-4小时；所述惰性气体为氮气、氦气、氖气、氩气中的任意一种。
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