CN114315399A - 碳/碳复合模具及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳/碳复合模具及其制备方法和应用，该制备方法首先在钢模上包裹碳纤维材料，形成至少一层包裹层，然后在包裹层上上缠绕长碳纤维以使长碳纤维呈螺旋状；螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间具有间隔；再于螺旋状的长碳纤维上包裹碳纤维材料，得到第一碳/碳预制毛坯，碳纤维材料每次出现时，分别独立地选自碳纤维单向布或碳纤维网胎，然后在第一碳/碳预制毛坯上重复进行包裹和缠绕步骤n次，烘烤后脱除钢模，得到第二碳/碳预制毛坯；其中，n为大于或等于1的整数；最后进行碳沉积，得到碳/碳复合模具。该制备方法制得的碳/碳复合模具的拉升强度高且使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及热压模具技术领域，特别是涉及一种碳/碳复合模具及其制备方法和应用。
背景技术
热压工艺是一种将模压与烧结相结合的材料成型方法，将单向或三向压力作用于装在石墨或其它刚性模具中的粉末压坯或松散粉末上，在高温下使粉末产生塑性变形或蠕变的粉末冶金致密化方法，常用于制备陶瓷材料如氮化硅、碳化硼等，以及难以烧结的金属和合金材料如Ti-Al基合金等。因热压工艺的工作温度较高，一般在1000℃以上，因此热压工艺要求模具材料具有良好的耐高温性、及在高温下具有较高的强度。
目前常用的热压模具为石墨材料，压缩强度大，但抗折强度及拉伸强度低，容易发生脆性断裂。近年来，技术人员采用碳布环向缠绕，或针刺成型制成碳纤维预制体，再通过化学气相渗透和/或树脂压力浸渍碳化制得致密预制体，最后进行高温处理并机械加工即可制得碳/碳热压模具，相对于石墨模具，其抗拉强度。然而，随着热压技术应用范围的拓展，现有的制备工艺制得碳/碳复合模具的强度还不足以满足热压工艺的需求，且在使用一段时间以后，常出现长碳纤维一圈一圈地掉下来的现象，导致模具报废。
因此，如何研发一种能制得拉升强度高且使用寿命长的碳/碳复合模具的制备方法具有重要意义。
发明内容
基于此，本发明提供了一种拉升强度高、使用寿命长的碳/碳复合模具及其制备方法和应用。
本发明的技术方案如下。
本发明的一方面提供了一种碳/碳复合模具的制备方法，包括如下步骤：
(1)在钢模上包裹碳纤维材料，形成至少一层包裹层，然后在所述包裹层上缠绕长碳纤维以使所述长碳纤维呈螺旋状；所述螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间具有间隔；再于所述螺旋状的长碳纤维上包裹碳纤维材料，得到第一碳/碳预制毛坯；所述碳纤维材料每次出现时，分别独立地选自碳纤维单向布或碳纤维网胎；
(2)在所述第一碳/碳预制毛坯上重复进行步骤(1)的包裹和缠绕步骤重复操作n次，烘烤后脱除钢模，得到第二碳/碳预制毛坯；
其中，n为大于或等于1的整数；相邻两次缠绕步骤形成的所述螺旋状的长碳纤维在所述钢模上的投影呈交错设置；
当步骤(1)中形成所述包裹层的所述碳纤维材料包括碳纤维单向布时，所述螺旋状的长碳纤维的螺旋轴与所述碳纤维单向布中的碳纤维的经向相同，步骤(1)和步骤(2)中的包裹的碳纤维单向布中的碳纤维的经向相同；
(3)将所述第二碳/碳预制毛坯采用化学气相沉积法进行碳沉积，得到碳/碳复合模具。
在其中一些实施例中，在步骤(1)和步骤(2)中的所述缠绕的步骤中，以所述钢模的同一端为缠绕起点，控制相邻两次缠绕的步骤的缠绕方向相反。
在其中一些实施例中，在步骤(1)和步骤(2)中的所述缠绕的步骤中，控制所述螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间的间隔的距离为0.5毫米～6毫米。
在其中一些实施例中，所述长碳纤维选自1K碳碳纤维束、3K碳碳纤维束、6K碳碳纤维束和12K碳碳纤维束中的至少一种。
在其中一些实施例中，步骤(3)中，重复所述碳沉积的步骤3次，每次进行所述碳沉积的步骤的工艺参数如下：沉积温度为900℃～1300℃，沉积时间为20h～300h，沉积气压为500pa～2000pa。
在其中一些实施例中，所述烘烤的条件为：于200℃～500℃下烘烤2h～8h。
在其中一些实施例中，所述螺旋状的长碳纤维的螺旋轴与所述钢模的轴向平行或交错。
在其中一些实施例中，所述钢模包括钢模本体、第一挡板、第二挡板及支撑轴；
所述钢模本体为轴向两端开口的中空结构，所述第一挡板和所述第二挡板分别设于所述钢模本体的两端的开口；所述第一挡板和所述第二挡板分别设有安装孔，所述支撑轴安装于所述第一挡板和所述第二挡板的安装孔且贯穿所述钢模本体。
在其中一些实施例中，所述第一挡板和所述第二挡板沿远离所述钢模本体的方向设有凸台，所述凸台和所述支撑轴相互。
本发明的另一方面提供了一种碳/碳复合模具，采用上述任一种碳/碳复合模具的制备方法制得。
在其中一些实施例中，所述碳/碳复合模具为组合模具，所述组合模具包括相互嵌合的内模和外模，所述内模和/或所述外模采用权利要求1至8任一项所述的碳/碳复合模具的制备方法制得。
本发明还提供了上述的碳/碳复合模具在制备热压制品中的应用。
本发明的碳/碳复合模具的制备方法中，步骤(1)中在钢模上包裹碳纤维材料，形成至少一层包裹层，然后在包裹层上缠绕长碳纤维以使长碳纤维呈螺旋状；螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间具有间隔；再于螺旋状的长碳纤维上包裹碳纤维单向布或碳纤维网胎，得到第一碳/碳预制毛坯，碳纤维材料每次出现时，分别独立地选自碳纤维单向布或碳纤维网胎；步骤(1)中，缠绕长碳纤维以使长碳纤维呈螺旋状，从而将碳纤维材料中的纤维紧密缠住，且螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间具有间隔，为后续步骤(3)中的碳沉积步骤提供沉积气体的进入通道；步骤(2)中在第一碳/碳预制毛坯上重复进行步骤(1)的包裹和缠绕步骤n次，烘烤后脱除钢模，得到第二碳/碳预制毛坯；其中，n为大于或等于1的整数；且当步骤(1)中形成包裹层的所述碳纤维材料包括碳纤维单向布时，使螺旋状的长碳纤维的螺旋轴与碳纤维单向布中的碳纤维的经向相同，步骤(1)和步骤(2)中的包裹的碳纤维单向布中的碳纤维的经向相同，从而将碳纤维单向布中的纤维进一步紧密缠住，达到提高材料强度的同时，大大降低了碳纤维单向布中的碳纤维在使用过程中脱落的概率；同时，相邻两次缠绕步骤形成的螺旋状的长碳纤维在钢模上的投影呈交错设置，从而进一步将碳纤维单向布中的纤维紧密缠住，提高材料的强度；最后通过步骤(3)中的碳沉积步骤，得到密度高且拉伸强度高的碳/碳复合模具。
在上述制备方法中，以钢模作为基础，长碳纤维在缠绕时会产生张力，使制得的碳/碳预制毛坯的密度可以达到传统的采用针刺工艺制得毛坯的密度，而由于钢模的热膨胀系数比碳纤维要大，在后续煅烧过程中，由于钢模的热膨胀对碳/碳预制毛坯进行挤压，导致长碳纤维把碳纤维网胎及碳纤维单向布拉得更紧，进一步提高的碳/碳预制毛坯密度和强度；而在冷却时，钢模和碳纤维之间存在较大的热膨胀系数差异，能够轻易地脱除钢模。
本发明还提供了采用上述的碳/碳复合模具的制备方法制得碳/碳复合模具，该碳/碳复合模具的拉伸强度高，用于制备热压制品时，使用寿命长。
附图说明
图1为本发明实施例1中采用的钢模的剖面图；
图2为本发明实施例1中制得的碳/碳复合模具的剖面图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
现有技术中，常采用碳纤维部及网胎通过铺设针刺工艺制备碳纤维预制体，从而制得碳/碳电极。然而，随着热压技术应用范围的拓展，现有的制备工艺制得碳/碳复合模具的强度还不足以满足热压工艺的需求，且针刺过程中需要以泡沫等软质材料作为模具基底，且在针刺过程中会对长碳纤维造成损伤，制得的碳/碳模具在使用一段时间以后，出现长纤维一圈一圈地掉下来的现象，导致模具报废。
本发明的技术人员通过大量的创造性研究后，研发出了本发明中不需要针刺的步骤，就能制得拉伸强度高的碳/碳复合模具的制备方法。该制备方法不需要针刺过程，其制得的碳/碳复合模具中的碳纤维是是连续的，没有损伤的。
本发明一实施方式提供了本发明的一方面提供了一种碳/碳复合模具的制备方法，包括如下步骤(1)～(3)。
步骤(1)、在钢模上包裹碳纤维材料，，形成至少一层包裹层，然后在包裹层上缠绕长碳纤维以使长碳纤维呈螺旋状；螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间具有间隔；再于螺旋状的长碳纤维上包裹碳纤维单向布或碳纤维网胎，得到第一碳/碳预制毛坯；
步骤(2)、在步骤(1)获得的第一碳/碳预制毛坯上重复进行步骤(1)的包裹和缠绕步骤n次，烘烤后脱除钢模，得到第二碳/碳预制毛坯；其中，n为大于或等于1的整数；步骤(1)和步骤(2)中的包裹的碳纤维单向布中的碳纤维的经向相同；相邻两次缠绕步骤形成的螺旋状的长碳纤维在钢模上的投影呈交错设置。
上述碳纤维材料每次出现时，分别独立地选自碳纤维单向布或碳纤维网胎，且当步骤(1)中形成包裹层的碳纤维材料包括碳纤维单向布时，螺旋状的长碳纤维的螺旋轴与碳纤维单向布中的碳纤维的经向相同，步骤(1)和步骤(2)中的包裹的碳纤维单向布中的碳纤维的经向相同。
可理解，上述相邻两次缠绕步骤形成的螺旋状的长碳纤维在钢模上的投影呈交错设置中，“在钢模上的投影”指的是在钢模的同一平面内的投影。
上述制备方法中，步骤(1)中缠绕长碳纤维以使长碳纤维呈螺旋状，步骤(1)中，缠绕长碳纤维以使长碳纤维呈螺旋状，从而将碳纤维材料中的纤维紧密缠住，且螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间具有间隔，为后续步骤(3)中的碳沉积步骤提供沉积气体的进入通道；步骤(2)中在第一碳/碳预制毛坯上重复进行步骤(1)的包裹和缠绕步骤n次，烘烤后脱除钢模，得到第二碳/碳预制毛坯；其中，n为大于或等于1的整数；当步骤(1)中形成包裹层的碳纤维材料包括碳纤维单向布时，使螺旋状的长碳纤维的螺旋轴与碳纤维单向布中的碳纤维的经向相同，步骤(1)和步骤(2)中的包裹的碳纤维单向布中的碳纤维的经向相同，从而将碳纤维单向布中的纤维进一步紧密缠住，达到提高材料强度的同时，大大降低了碳纤维单向布中的碳纤维在使用过程中脱落的概率；相邻两次缠绕步骤形成的螺旋状的长碳纤维在钢模上的投影呈交错设置，从而进一步将碳纤维单向布中的纤维紧密缠住，提高材料的强度；最后通过步骤(3)中的碳沉积步骤，得到密度高且拉伸强度高的碳/碳复合模具。
在其中一些实施例中，形成包裹层的包裹步骤可重复进行多次，形成多层包裹层；进一步地，每次包裹步骤采用的碳纤维材料分别独立地选自碳纤维单向布或碳纤维网胎。
在一具体的示例中，至少有一包裹层采用碳纤维单向布。
在其中一些实施例中，依次形成第一包裹层和形成第二包裹层，形成第一包裹层的步骤采用碳纤维单向布，形成第二包裹层的步骤采用碳纤维网胎进行包裹。可理解，步骤(2)中，重复进行步骤(1)的包裹碳纤维材料和缠绕步骤n次，且当包裹步骤采用碳纤维单向布时，每次重复进行步骤(1)中的包裹碳纤维的步骤时，保持所有碳纤维单向布的经向一致。
在其中一些实施例中，在步骤(1)和步骤(2)中的缠绕的步骤中，以钢模的同一端为缠绕起点，控制相邻两次缠绕的步骤的缠绕方向相反。
可理解，控制相邻两次缠绕的步骤的缠绕方向相反，则形成螺旋方向相反的螺旋状的长碳纤维的。例如，以钢模的同一端为缠绕起点，步骤(1)中，缠绕的步骤的缠绕方向为从左至右，那步骤(2)中进行重复操作时，缠绕步骤的缠绕方向为从右至左，下次则为从左至右，如此反复操作，从而进一步得到将碳纤维单向布中的长碳纤维紧密缠住，且使螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间具有间隔，从而得到高强度的碳/碳预制毛坯。
螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间不留间隔时，即相当于将碳纤维网胎紧密覆盖包裹，如此减少了化学气相沉积是沉积气体的进入通道，从而降低增密效果；而如果螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间的间隔距离过大，则难以保证制得的碳/碳复合模具的抗拉强度。
优选地，在步骤(1)和步骤(2)中的缠绕的步骤中，控制螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间的间隔的距离为0.5毫米～6毫米。
在其中一些实施例中，上述长碳纤维选自1K碳纤维束、3K碳纤维束、6K碳纤维束和12K碳纤维束中的至少一种。碳纤维束展开类似于一条具有一定宽度的碳纤维布条，在碳纤维网胎上缠绕碳纤维束以使碳纤维束呈螺旋状，从而将碳纤维单向布中的纤维紧密缠住，在提高材料强度的同时，大大降低了碳纤维单向布中的碳纤维在使用过程中脱落的概率；然而，如果碳纤维束之间不留间隔，相当于紧密覆盖包裹，如此减少了化学气相沉积是沉积气体的进入通道，从而降低增密效果；而如果螺旋状的碳纤维束中的相邻两个螺纹之间的间隔的距离过大，则难以保证制得的碳/碳复合模具的抗拉强度。
可理解，上述制备方法中所用的钢模的形状可根据实际的应用自行选择，包括但不限于圆筒状，立方体或长方体等。
在其中一些实施例中，在步骤(1)和步骤(2)中，螺旋状的长碳纤维的螺旋轴与钢模的轴向平行或交错。
换言之，螺旋状的长碳纤维的螺旋轴与钢模的轴向相同或相交。也可认为螺旋状的长碳纤维的螺旋轴与钢模的轴向成0°或相交形成0°以上的角；进一步地，当螺旋状的长碳纤维的螺旋轴与钢模的轴向相交成90°的角时，两者处于垂直。
在其中一些实施例中，在步骤(1)和步骤(2)中，螺旋状的长碳纤维的螺旋轴与钢模的轴向平行。
在其中一些实施例中，当步骤(1)/或步骤(2)中采用碳纤维单向布包裹时，螺旋状的长碳纤维的螺旋轴与碳纤维单向布中的碳纤维的经向及钢模的轴向均平行。
在其中一些实施例中，n为1～50。可理解，重复的次数n根据实际需要选择。
需要说明的是，在步骤(1)和步骤(2)中，在进行包裹碳纤维单向布或碳纤维网胎的步骤中，可以通过向碳纤维单向布和/或碳纤维网胎上喷少量水，从而增加碳纤维单向布和碳纤维网胎的粘度，使之在制备过程中不易掉落。
在其中一些实施例中，步骤(2)中的烘烤的条件为：于200℃～500℃下烘烤2h～8h。
在其中一些实施例中，在步骤(2)中，在重复操作步骤之后，且在烘烤步骤之前，还包括将步骤(1)重复操作n次得到的毛坯依次包裹一层碳纤维单向布和碳纤维网胎的步骤。
步骤(3)、将步骤(2)获得的第二碳/碳预制毛坯采用化学气相沉积法进行碳沉积，得到碳/碳复合模具。
上述制备方法中，以钢模作为基础，碳纤维缠绕时会产生张力，使制得的碳/碳预制毛坯的密度可以达到传统的采用针刺工艺制得毛坯的密度，且由于钢模的热膨胀系数比碳纤维要大，在煅烧过程中，由于钢模的热膨胀，对碳/碳预制毛坯进行挤压，导致长碳纤维把碳纤维网胎和/或碳纤维单向布拉得更紧，进一步提高制得的碳/碳预制毛坯密度和强度；而在冷却时，钢模和碳纤维之间存在较大的热膨胀系数差异，能够轻易地脱除钢模。
在其中一些实施例中，步骤(3)中，重复碳沉积的步骤3次，每次进行碳沉积的步骤的工艺参数如下：沉积温度为900℃～1300℃，沉积时间为20h～300h，沉积气压为500pa～2000pa。
进一步地，步骤(3)中，在每次碳沉积步骤之后，还包括对碳沉积得到的毛坯进行机加工的步骤，从而得到规定尺寸的得到碳/碳复合模具。
其中，步骤(3)中，将碳沉积步骤和机加工步骤进行重复操作，从而得到规定密度的碳/碳复合模具，重复操作的次数可根据实际需要决定；具体地，重复操作的次数为3次。
进一步地，沉积气体为碳源气体，碳源气体为碳氢化合物的气体，具体为甲烷、丙烯和天然气中的至少一种。
请参考图1，在其中一个实施例中，步骤(1)中采用的钢模包括钢模本体11、第一挡板12、第二挡板13及支撑轴14。
钢模本体11为轴向的两端开口的中空结构，第一挡板12和第二挡板13分别设于钢模本体11的两端的开口；第一挡板12和第二挡板13分别设有安装孔，支撑轴14安装于第一挡板12和第二挡板13的安装孔且贯穿钢模本体11。
可理解，通过将支撑轴14安装于第一挡板12和第二挡板13的安装孔，即将支撑轴14固定住。
在本具体示例中，钢模本体11可为圆筒状；支撑轴14为空心。
可理解，可通过支撑轴14将钢模固定在同一位置，然后在钢模本体上进行上述步骤(1)的操作；进一步地，在步骤(1)和步骤(2)的缠绕步骤中，可借助本领域其他常用技术手段均匀缠绕长碳纤维以使长碳纤维呈螺旋状，也可通过转动支撑轴14，从而使长碳纤维均匀缠绕。
在其中一些实施例中，第一挡板12和第二挡板13沿远离钢模本体11的方向设有凸台15，凸台15和支撑轴14相互配合；具体地，凸台15和支撑轴14通过螺丝固定配合。如此，即将支撑轴14与第一挡板12和第二挡板13固定，确保支撑轴14和第一挡板12及第二挡板13之间不会出现滑动。
在其中一些实施例中，第一挡板12及第二挡板13由多个具有凸台15的具有凸台的小板块拼接而成。
可理解，在步骤(1)和步骤(2)中，螺旋状的长碳纤维的螺旋轴与碳纤维单向布中的碳纤维的经向及上述钢模中支撑轴14的轴向均相同。
本发明的另一实施方式还提供了一种碳/碳复合模具，采用上述任一种碳/碳复合模具的制备方法制得。
上述碳/碳复合模具的制备方法制得的碳/碳复合模具的密度达到1.3g/cm3及以上，抗拉强度可以达到250MPA～300MPA，且能避免使用过程中出现碳纤维丝脱落的状况，从而提高了碳/碳复合模具的使用寿命。
请参考图2，在其中一个实施例中，上述碳/碳复合模具包括相互嵌合的内模21和外模22，内模21和/或外模22采用上述任一种碳/碳复合模具的制备方法制得。
具体地，外模22的内径大于内模21的外径，从而通过嵌合的方式组合成组合模具。
本发明的另一实施方式还提供了上述的碳/碳复合模具在制备热压制品中的应用。
上述碳/碳复合模具的拉伸强度高，用于制备热压制品时，能满足热压工艺的需求，且使用寿命长。热压制品包括但不限于：陶瓷材料如氮化硅、碳化硼等，以及难以烧结的金属和合金材料，如Ti-Al基合金等。
具体实施例
这里按照本发明的碳/碳复合模具及其制备方法和应用举例，但本发明并不局限于下述实施例。
以下为具体实施例。
实施例1
1)提供如图1所示的圆筒形组合钢模，在钢模本体上包裹上碳纤维单向布，然后在碳纤维单向布上包裹碳纤维网胎，其中，往碳纤维单向布和碳纤维网胎上喷少量水，以增加其粘度，碳纤维单向布中碳纤维的经向与钢模的轴向保持一致。然后以碳纤维网胎的一端点为起点，用12K长纤维丝束从钢模本体的一端均匀螺旋缠绕至另一端。缠绕的过程中，螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间的间隔距离在5毫米左右，再包裹一层碳纤维网胎，制得第一碳/碳预制毛坯。
2)在步骤1)获得的第一碳/碳预制毛坯上面依次包裹上碳纤维单向布和碳纤维网胎，碳纤维单向布中碳纤维的经向与钢模的轴向保持一致；然后继续以步骤(1)中碳纤维网胎的同一端点为起点，用12K长纤维丝束从钢模本体的一端均匀螺旋缠绕至另一端。缠绕的过程中形成的螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间的间隔距离在5毫米左右，且缠绕方向和步骤(1)中的缠绕方向相反，再包裹一层碳纤维网胎。
然后重复进行上述包裹碳纤维单向布和碳纤维网胎及缠绕的步骤20次，最后再依次包裹上碳纤维单向布和碳纤维网胎，并于300℃下，保温烘烤3小时，然后降温到室温，抽出空心管、挡板，得到第二碳/碳预制毛坯。
其中，步骤1)～2)中的缠绕步骤，以碳纤维网胎的同一端点为缠绕起点，控制相邻两次缠绕的步骤的缠绕方向相反。
3)对步骤2)获得的第二碳/碳预制毛坯采用化学气相沉积进行碳沉积，机加工，并重复此操作2次。其中，每次进行碳沉积的步骤的工艺参数如下：沉积温度为1150℃，沉积时间为120h，沉积气压为500pa，沉积气为天然气。制得外径为530mm、内径为482mm的碳/碳复合模具，将其作为外膜，密度为1.43g/cm3，抗拉强度为305MPA。
4)按照步骤1)～3)制得外径为470mm、内径为432mm的内膜，将内膜与外模进行嵌合，得到组合模具，如图2所示。
实施例2
1)提供如图1所示的圆筒形组合钢模，在钢模本体包裹上碳纤维单向布，然后在碳纤维单向布上包裹碳纤维网胎，其中，往碳纤维单向布和碳纤维网胎上喷少量水，以增加其粘度，碳纤维单向布中碳纤维的经向与钢模的轴向保持一致。然后以碳纤维网胎的一端为起点，用12K长纤维丝束从碳纤维单向布的一端均匀螺旋缠绕至另一端。缠绕的过程中，螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间的间隔距离在3毫米左右，再包裹一层碳纤维网胎，制得第一碳/碳预制毛坯。
2)在步骤1)获得的第一碳/碳预制毛坯上面依次包裹上碳纤维单向布和碳纤维网胎，碳纤维单向布中碳纤维的经向与钢模的轴向保持一致；然后继续以步骤(1)中碳纤维网胎的同一端点为起点，用12K长纤维丝束从碳纤维单向布的一端均匀螺旋缠绕至另一端。缠绕的过程中，螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间的间隔距离在3毫米左右，且螺旋方向和步骤1)中的螺旋方向相反，再包裹一层碳纤维网胎。
然后重复进行上述包裹碳纤维单向布和碳纤维网胎及螺旋缠绕的步骤20次，最后再依次包裹上碳纤维单向布和碳纤维网胎，并于300℃下，保温烘烤3小时，然后降温到室温，抽出空心管、挡板，得到第二碳/碳预制毛坯。
其中，步骤1)～2)中的缠绕步骤，以碳纤维网胎的同一端点为缠绕起点，控制相邻两次缠绕的步骤的缠绕方向相反。
3)对步骤2)获得的第二碳/碳预制毛坯采用化学气相沉积进行碳沉积，机加工，并重复此操作2次。其中，每次进行碳沉积的步骤的工艺参数如下：沉积温度为1050℃，沉积时间为120h，沉积气压为200pa，沉积气为天然气。制得外径为530mm、内径为482mm的碳/碳复合模具，将其作为外膜，密度为1.38g/cm3，抗拉强度为266MPA。
4)按照步骤1)～3)制得外径为470mm、内径为432mm的内膜，将内膜与外模进行嵌合，得到组合模具。
实施例3
1)提供如图1所示的圆筒形组合钢模，在钢模本体包裹上碳纤维单向布，往碳纤维单向布上包裹碳纤维网胎，其中，往碳纤维单向布和碳纤维网胎上喷少量水，以增加其粘度，碳纤维单向布中碳纤维的经向与钢模的轴向保持一致。然后以碳纤维网胎一端点为起点，用6K长纤维丝束从钢模本体的一端均匀螺旋缠绕至另一端。缠绕的过程中，螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间的间隔距离在2.5毫米左右，再包裹一层碳纤维网胎，制得第一碳/碳预制毛坯。
2)在步骤1)获得的第一碳/碳预制毛坯上面依次包裹上碳纤维单向布和碳纤维网胎，碳纤维单向布中碳纤维的经向与钢模的轴向保持一致；然后继续以步骤(1)中碳纤维网胎的同一端点为起点，用6K长纤维丝束从钢模本体的一端均匀螺旋缠绕至另一端。缠绕的过程中，形成的螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间的间隔距离在2.5毫米左右，且螺旋方向和步骤1)中的螺旋方向相反，再包裹一层碳纤维网胎。
然后重复进行上述包裹碳纤维单向布和碳纤维网胎及螺旋缠绕的步骤30次，最后再依次包裹上碳纤维单向布和碳纤维网胎，并于300℃下，保温烘烤3小时，然后降温到室温，抽出空心管、挡板，得到第二碳/碳预制毛坯。
其中，步骤1)～2)中的缠绕步骤中，以碳纤维网胎的同一端点为缠绕起点，控制相邻两次缠绕的步骤的缠绕方向相反。
3)对步骤2)获得的第二碳/碳预制毛坯采用化学气相沉积进行碳沉积，机加工，并重复此操作2次。其中，每次进行碳沉积的步骤的工艺参数如下：沉积温度为1050℃，沉积时间为100h，沉积气压为200pa，沉积气为天然气。制得外径为530mm、内径为482mm的碳/碳复合模具，将其作为外膜，密度为1.37g/cm3，抗拉强度为254MPA。
4)按照步骤1)～3)制得外径为470mm、内径为432mm的内膜，将内膜与外模进行嵌合，得到组合模具。
实施例4
1)提供如图1所示的圆筒形组合钢模，在钢模本体包裹上碳纤维单向布，往碳纤维单向布上包裹碳纤维网胎，其中，往碳纤维单向布和碳纤维网胎上喷少量水，以增加其粘度，碳纤维单向布中碳纤维的经向与钢模的轴向保持一致。然后以碳纤维网胎的一端点为起点，用1K长纤维丝束从钢模本体的一端均匀螺旋缠绕至另一端。缠绕的过程中，螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间的间隔距离在1毫米左右，再包裹一层碳纤维网胎，制得第一碳/碳预制毛坯。
2)在步骤1)获得的第一碳/碳预制毛坯上面依次包裹上碳纤维单向布和碳纤维网胎，碳纤维单向布中碳纤维的经向与钢模的轴向保持一致；然后继续以步骤(1)中碳纤维网胎的同一端点为起点，用1K长纤维丝束从钢模本体的一端均匀螺旋缠绕至另一端。螺旋缠绕的过程中，形成的螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间的间隔距离在1毫米左右，且螺旋方向和步骤1)中的螺旋方向相反，再包裹一层碳纤维网胎。
然后重复进行上述包裹碳纤维单向布和碳纤维网胎及螺旋缠绕的步骤20次，最后再依次包裹上碳纤维单向布和碳纤维网胎，并于300℃下，保温烘烤3小时，然后降温到室温，抽出空心管、挡板，得到第二碳/碳预制毛坯。
其中，步骤1)～2)中，的缠绕步骤中，以碳纤维网胎的同一端点为缠绕起点，控制相邻两次缠绕的步骤的缠绕方向相反。
3)对步骤2)获得的第二碳/碳预制毛坯采用化学气相沉积进行碳沉积，机加工，并重复此操作2次。其中，每次进行碳沉积的步骤的工艺参数如下：沉积温度为1200℃，沉积时间为80h，沉积气压为500pa，沉积气为天然气。制得外径为530mm、内径为482mm的碳/碳复合模具，将其作为外膜，密度为1.40g/cm3，抗拉强度为280MPA。
4)按照步骤1)～3)制得外径为470mm、内径为432mm的内膜，将内膜与外模进行嵌合，得到组合模具。
实施例5
1)提供如图1所示的圆筒形组合钢模，在钢模本体包裹上碳纤维单向布，再往碳纤维单向布上包裹碳纤维网胎，其中，往碳纤维单向布和碳纤维网胎上喷少量水，以增加其粘度，碳纤维单向布中碳纤维的经向与钢模的轴向保持一致。然后以碳纤维网胎一端点为起点，用12K长纤维丝束从钢模本体的一端均匀螺旋缠绕至另一端。缠绕的过程中，螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间的间隔距离在10毫米左右，再包裹一层碳纤维网胎，制得第一碳/碳预制毛坯。
2)在步骤1)获得的第一碳/碳预制毛坯上面依次包裹上碳纤维单向布和碳纤维网胎，碳纤维单向布中碳纤维的经向与钢模的轴向保持一致；然后继续以步骤(1)中碳纤维网胎的同一端点为起点，用12K长纤维丝束从钢模本体的一端均匀螺旋缠绕至另一端。缠绕的过程中，形成的螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间的间隔距离在10毫米左右，且螺旋方向和步骤1)中的螺旋方向相反，再包裹一层碳纤维网胎。
然后重复进行上述包裹碳纤维单向布和碳纤维网胎及螺旋缠绕的步骤40次，最后再依次包裹上碳纤维单向布和碳纤维网胎，并于300℃下，保温烘烤3小时，然后降温到室温，抽出空心管、挡板，得到第二碳/碳预制毛坯。
其余步骤与实施例1相同，结果表明，实施例5制得的碳/碳复合模具的密度为1.32g/cm3，抗拉强度为252MPA。
对比例1
对比例1与实施例1基本相同，不同之处在于，对比例1中的步骤1)～2)中的缠绕的步骤中，形成的螺旋状的碳纤维丝束中的相邻两个螺纹之间没有间隔，紧密重叠。其他步骤及其工艺与实施例1相同。
结果表明，对比例1制得的碳/碳复合模具的密度为1.25g/cm3，抗拉强度为163MPA。
对比例2
对比例2与实施例1的基本相同，区别仅仅在于对比例2的步骤1)中，将实施例1中组合钢模中的圆筒状钢模本体替换成了圆筒状支撑石墨模。其他步骤及其工艺与实施例1相同。
结果表明，对比例2制得的碳/碳复合模具的密度为1.30g/cm3，抗拉强度为200MPA。
对比例3
对比例3与实施例1的基本相同，区别仅仅在于对比例3的步骤1)～2)中，以碳纤维网胎的同一端点为缠绕起点，控制相邻两次缠绕的步骤的缠绕方向相同，即形成的螺旋状的长碳纤维在钢模本体上的投影基本重叠。其他步骤及其工艺与实施例1相同。
结果表明，对比例3制得的碳/碳复合模具的密度为1.22g/cm3，抗拉强度为130MPA。
注：实施例1～5及对比例1～3中抗拉强度的测试参考标准GB/T 21921-2008。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (12)
1.一种碳/碳复合模具的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在钢模上包裹碳纤维材料，形成至少一层包裹层，然后在所述包裹层上缠绕长碳纤维以使所述长碳纤维呈螺旋状；所述螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间具有间隔；再于所述螺旋状的长碳纤维上包裹碳纤维材料，得到第一碳/碳预制毛坯；所述碳纤维材料每次出现时，分别独立地选自碳纤维单向布或碳纤维网胎；(2)在所述第一碳/碳预制毛坯上重复进行步骤(1)的包裹和缠绕步骤n次，烘烤后脱除钢模，得到第二碳/碳预制毛坯；
其中，n为大于或等于1的整数；相邻两次缠绕步骤形成的所述螺旋状的长碳纤维在所述钢模上的投影呈交错设置；
当步骤(1)中形成所述包裹层的所述碳纤维材料包括碳纤维单向布时，所述螺旋状的长碳纤维的螺旋轴与所述碳纤维单向布中的碳纤维的经向相同，步骤(1)和步骤(2)中的包裹的碳纤维单向布中的碳纤维的经向相同；
(3)将所述第二碳/碳预制毛坯采用化学气相沉积法进行碳沉积，得到碳/碳复合模具。
2.如权利要求1所述的碳/碳复合模具的制备方法，其特征在于，在步骤(1)和步骤(2)中的所述缠绕的步骤中，以所述钢模的同一端为缠绕起点，控制相邻两次缠绕的步骤的缠绕方向相反。
3.如权利要求1所述的碳/碳复合模具的制备方法，其特征在于，在步骤(1)和步骤(2)中的所述缠绕的步骤中，控制所述螺旋状的长碳纤维中的相邻两个螺纹之间的间隔的距离为0.5毫米～6毫米。
4.如权利要求1所述的碳/碳复合模具的制备方法，其特征在于，所述长碳纤维选自1K碳纤维束、3K碳纤维束、6K碳纤维束和12K碳纤维束中的至少一种。
5.如权利要求1～4任一项所述的碳/碳复合模具的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，重复所述碳沉积的步骤3次，每次进行所述碳沉积的步骤的工艺参数如下：沉积温度为900℃～1300℃，沉积时间为20h～300h，沉积气压为500pa～2000pa。
6.如权利要求1～4任一项所述的碳/碳复合模具的制备方法，其特征在于，所述烘烤的条件为：于200℃～500℃下烘烤2h～8h。
7.如权利要求1～4任一项所述的碳/碳复合模具的制备方法，其特征在于，所述螺旋状的长碳纤维的螺旋轴与所述钢模的轴向平行或交错。
8.如权利要求1～4任一项所述的碳/碳复合模具的制备方法，其特征在于，所述钢模包括钢模本体、第一挡板、第二挡板及支撑轴；
所述钢模本体为轴向两端开口的中空结构，所述第一挡板和所述第二挡板分别设于所述钢模本体的两端的开口；所述第一挡板和所述第二挡板分别设有安装孔，所述支撑轴安装于所述第一挡板和所述第二挡板的安装孔且贯穿所述钢模本体。
9.如权利要求8所述的碳/碳复合模具的制备方法，其特征在于，所述第一挡板和所述第二挡板沿远离所述钢模本体的方向设有凸台，所述凸台和所述支撑轴相互配合。
10.一种碳/碳复合模具，其特征在于，采用权利要求1至9任一项所述的碳/碳复合模具的制备方法制得。
11.如权利要求10所述的碳/碳复合模具，其特征在于，所述碳/碳复合模具包括相互嵌合的内模和外模，所述内模和/或所述外模采用权利要求1至8任一项所述的碳/碳复合模具的制备方法制得。
12.如权利要求10或11所述的碳/碳复合模具在制备热压制品中的应用。
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Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1498892A (en) * | 1974-01-30 | 1978-01-25 | Starwin Ind Inc | Racket manufacture |
| EP0027251A1 (en) * | 1979-10-16 | 1981-04-22 | Fordath Limited | Article comprising carbon fibres and method of producing the article |
| US5568719A (en) * | 1992-06-11 | 1996-10-29 | Prospin Industries, Inc. | Composite yarn including a staple fiber covering a filament yarn component and confining the filament yarn component to a second thickness that is less than a first thickness of the filament in a relaxed state and a process for producing the same |
| US20070175577A1 (en) * | 2005-01-26 | 2007-08-02 | Dagher Habib J | Composite construction members and method of making |
| CN101295564A (zh) * | 2008-06-19 | 2008-10-29 | 南京诺尔泰复合材料设备制造有限公司 | 碳纤维多用途复合绞线制造方法及设备 |
| CN103482995A (zh) * | 2013-08-06 | 2014-01-01 | 江苏天鸟高新技术股份有限公司 | 连续碳纤维增强的坩埚预制体及其制备方法 |
| CN104801027A (zh) * | 2015-03-13 | 2015-07-29 | 桐乡波力科技复材用品有限公司 | 棒球棒制作方法 |
| CN107285797A (zh) * | 2017-07-21 | 2017-10-24 | 湖南金博碳素股份有限公司 | 一种碳基复合材料螺旋弹簧及生产方法 |
| CN108191448A (zh) * | 2018-01-24 | 2018-06-22 | 航天睿特碳材料有限公司 | 一种缠绕工艺制备碳/碳筒体的方法 |
| CN108997019A (zh) * | 2017-06-02 | 2018-12-14 | 上海新昇半导体科技有限公司 | 石墨坩埚及其制造方法 |
| CN111170756A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-05-19 | 西安超码科技有限公司 | 回转体类炭/炭复合材料的制备方法 |
| CN111844801A (zh) * | 2020-07-06 | 2020-10-30 | 湖北三江航天红阳机电有限公司 | 一种网格筋成型方法 |
| CN113072387A (zh) * | 2020-01-04 | 2021-07-06 | 陕西美兰德炭素有限责任公司 | 一种碳纤维缠绕坩埚及其制备方法 |
-
2021
- 2021-12-23 CN CN202111608188.4A patent/CN114315399B/zh active Active
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1498892A (en) * | 1974-01-30 | 1978-01-25 | Starwin Ind Inc | Racket manufacture |
| EP0027251A1 (en) * | 1979-10-16 | 1981-04-22 | Fordath Limited | Article comprising carbon fibres and method of producing the article |
| US5568719A (en) * | 1992-06-11 | 1996-10-29 | Prospin Industries, Inc. | Composite yarn including a staple fiber covering a filament yarn component and confining the filament yarn component to a second thickness that is less than a first thickness of the filament in a relaxed state and a process for producing the same |
| US20070175577A1 (en) * | 2005-01-26 | 2007-08-02 | Dagher Habib J | Composite construction members and method of making |
| CN101295564A (zh) * | 2008-06-19 | 2008-10-29 | 南京诺尔泰复合材料设备制造有限公司 | 碳纤维多用途复合绞线制造方法及设备 |
| CN103482995A (zh) * | 2013-08-06 | 2014-01-01 | 江苏天鸟高新技术股份有限公司 | 连续碳纤维增强的坩埚预制体及其制备方法 |
| CN104801027A (zh) * | 2015-03-13 | 2015-07-29 | 桐乡波力科技复材用品有限公司 | 棒球棒制作方法 |
| CN108997019A (zh) * | 2017-06-02 | 2018-12-14 | 上海新昇半导体科技有限公司 | 石墨坩埚及其制造方法 |
| CN107285797A (zh) * | 2017-07-21 | 2017-10-24 | 湖南金博碳素股份有限公司 | 一种碳基复合材料螺旋弹簧及生产方法 |
| CN108191448A (zh) * | 2018-01-24 | 2018-06-22 | 航天睿特碳材料有限公司 | 一种缠绕工艺制备碳/碳筒体的方法 |
| CN111170756A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-05-19 | 西安超码科技有限公司 | 回转体类炭/炭复合材料的制备方法 |
| CN113072387A (zh) * | 2020-01-04 | 2021-07-06 | 陕西美兰德炭素有限责任公司 | 一种碳纤维缠绕坩埚及其制备方法 |
| CN111844801A (zh) * | 2020-07-06 | 2020-10-30 | 湖北三江航天红阳机电有限公司 | 一种网格筋成型方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| 刘钧;彭超义;杜刚;曾竟成;肖加余;: "膨胀芯模法制备炭/环氧主承力管件研究", 材料工程, no. 09 * |
| 匡载平等: "复合材料模具技术", 《航空制造技术》 * |
| 匡载平等: "复合材料模具技术", 《航空制造技术》, no. 17, 1 September 2016 (2016-09-01), pages 82 - 85 * |
| 陈辉辉: "活塞用碳纤维铝基复合材料的制备方案研究", 《昆明冶金高等专科学校学报》 * |
| 陈辉辉: "活塞用碳纤维铝基复合材料的制备方案研究", 《昆明冶金高等专科学校学报》, vol. 21, no. 03, 30 September 2005 (2005-09-30), pages 15 - 17 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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