CN117447222A - 一种碳纤维增强碳基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，属于碳基复合材料技术领域，所述制备方法由以下步骤组成：制备碳纤维膜，浸渍，成型；所述成型步骤，根据零件形状对浸渍后的碳纤维膜进行切割后，将切割后的碳纤维膜铺放在模具中，铺放时，控制相邻的浸渍后的碳纤维膜上碳丝纹路之间的夹角为30‑60°，并将每次铺放层数时的总层数控制至80‑100层，铺放结束后进行合模保压，合模保压结束后进行烧结，烧结结束得到碳纤维增强碳基复合材料；本发明制备的碳纤维增强碳基复合材料的尺寸稳定性强，强度高，抗热冲击性和导热性好，脆性小。
Description
技术领域
本发明涉及碳基复合材料技术领域，具体涉及一种碳纤维增强碳基复合材料的制备方法。
背景技术
碳基复合材料是具有特殊性能的新型工程材料，是以碳或石墨纤维为增强体，碳或石墨为基体复合而成的材料。碳基复合材料几乎完全是由碳元素组成，故能承受极高的温度和极大的加热速度，该材料在超热环境下有高强度，抗热冲击和抗烧诱导能力也极强，且具有良好的化学惰性。此外，碳基复合材料还具有优异的耐摩擦性和高的导热性，还具有密度小、强度高等一系列优点，是理想减重材料，因此，碳基复合材料被广泛应用于航空航天领域，尤其是航空航天领域中使用的零件，形面复杂，且在使用时存在受力不均匀的问题，传统的金属材料难以满足要求，碳基复合材料成为最优选择。
目前，碳基复合材料在制备航空航天领域中使用的零件时，主要通过化学气相沉积法进行生产，生产中需要同时考虑形状、压力和温度三个关键要素，具体生产方法是将成型件放入气相沉积炉中，通过控制压力和温度，制备碳基复合材料。但是在制备大尺寸零件时，存在易造成尺寸不稳定的问题，且在气相沉积中，由于温度太高，易对碳纤维造成损伤，导致碳纤维易断、易团聚，从而影响了碳基复合材料的强度和抗热冲击性，同时，还会对导热性造成影响，为了解决上述问题，目前最常用的方法为使用热梯度化学气相沉积法，具体是分阶段进行化学气相沉积，每个阶段的温度不同，但是该方法会造成碳基复合材料的密度不均匀，从而导致碳基复合材料的脆性大。
中国专利CN106946582B公开了一种大尺寸异型碳基复合材料构件及其制备方法，所述构件以质量百分比计包括下述组分：碳纤维 20-35%、热解碳 35-75%、SiC 5-15%，其制备方法为：根据所要求的部件外形先将连续碳纤维针刺出密度为0.4-0.55g/cm3的预制坯件；接着采用石墨模具对预制坯件的内外形面进行固定；然后依次经高温热处理、第一次碳沉积、卸模、粗加工、第二碳沉积、石墨处理、硅蒸汽蒸浴、精加工得到成品；该发明解决了大尺寸异型碳基复合材料构件在制备过程中极易变形的问题，所得产品具有强度和导热性高的优势，但是脆性大。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，制备的碳纤维增强碳基复合材料的尺寸稳定性强，强度高，抗热冲击性和导热性好，脆性小。
为解决以上技术问题，本发明采取的技术方案如下：
一种碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，由以下步骤组成：制备碳纤维膜，浸渍，成型；
所述制备碳纤维膜步骤，将萘系中间相沥青加入球磨机中进行球磨，控制球磨时的转速为300-400rpm，球料比为2-3:1，时间为7-8h，然后将碳纤维、球磨后的萘系中间相沥青、纳米碳微球、纳米炭黑、甲基纤维素、曲拉通X-100、聚乙二醇600、水溶性环氧树脂、去离子水混合后进行球磨，控制球磨时的转速为300-400rpm，球料比为2-3:1，时间为10-11h，然后加入混捏机进行捏合，控制捏合温度为150-200℃，转速为1000-1200rpm，时间为3.5-4h，捏合结束后，使用轧片机进行压实，得到厚度为500-800μm的膜生坯，将膜生坯以5-10℃/min的升温速度升温至550-650℃，保温30-40min，自然冷却至室温，得到碳纤维膜；
所述制备碳纤维膜步骤中，碳纤维、球磨后的萘系中间相沥青、纳米碳微球、纳米炭黑、甲基纤维素、曲拉通X-100、聚乙二醇600、水溶性环氧树脂、去离子水的质量比为30-35:50-55:4-5:5-6:3-4:1.5-2:2-2.5:3-3.5:70-75；
所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，直径为14-16μm，长度为1.8-2mm；
所述纳米炭黑的粒径为50-100nm；
所述纳米碳微球的制备方法为，将葡萄糖、去离子水加入反应釜中，将反应釜的温度控制至30-50℃，搅拌速度控制至100-300rpm，搅拌5-10min，倒出，得到葡萄糖水溶液；将十六烷基三甲基溴化铵、去离子水加入反应釜中，将反应釜的温度控制至30-50℃，搅拌速度控制至100-300rpm，搅拌5-10min，倒出，得到十六烷基三甲基溴化铵水溶液；将葡萄糖水溶液、十六烷基三甲基溴化铵水溶液、碳酸钙加入密闭反应釜中，将反应釜密闭后，将密闭反应釜的温度控制至50-60℃，搅拌速度控制至100-300rpm，搅拌30-50min，将密闭反应釜的温度控制至170-180℃，继续搅拌10-12h，自然冷却至室温后，打开密闭反应釜，进行离心，控制离心时的转速为7000-8000rpm，时间为20-25min，离心结束后，使用去离子水清洗沉淀物3次，于80℃下烘干，得到纳米碳微球；
所述纳米碳微球的制备中，葡萄糖水溶液中葡萄糖与去离子水的质量比为35-38:300-320；
十六烷基三甲基溴化铵水溶液中十六烷基三甲基溴化铵与去离子水的质量比为12-13:300-350；
所述葡萄糖水溶液中的葡萄糖、十六烷基三甲基溴化铵水溶液中的十六烷基三甲基溴化铵、碳酸钙的质量比为35-38:12-13:30-32；
所述浸渍步骤，将纳米碳纤维完全浸泡于浸泡液中，在30-50℃下完全浸泡1-1.5h，取出，置于120-150℃下烘干，得到浸渍后的碳纤维膜；
所述浸泡液的制备方法为，将羧甲基纤维素钠、碳纤维A、碳纤维B、纳米炭黑、去离子水混合后进行超声震荡，控制超声震荡的频率为20-30kHz，时间为3-3.5h，超声震荡结束得到浸泡液；
所述浸泡液的制备中，羧甲基纤维素钠、碳纤维A、碳纤维B、纳米炭黑、去离子水的质量比为10-12:14-16:10-12:5-6:1200-1300；
所述碳纤维A为聚丙烯腈基碳纤维，直径为7-7.5μm，长度为0.1-0.15mm；
所述碳纤维B为聚丙烯腈基碳纤维，直径为40-50nm，长度为60-80μm；
所述纳米炭黑的粒径为50-100nm；
所述成型步骤，根据零件形状对浸渍后的碳纤维膜进行切割后，将切割后的碳纤维膜铺放在模具中，铺放时，控制相邻的浸渍后的碳纤维膜上碳丝纹路之间的夹角为30-60°，并将每次铺放层数时的总层数控制至80-100层，铺放结束后进行合模保压，控制合模保压的压力为9-10MPa，时间为2-2.5h，合模保压结束后进行烧结，控制烧结温度为1200-1400℃，时间为3-4h，烧结结束得到碳纤维增强碳基复合材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明的碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，通过在制备碳纤维膜步骤中加入水溶性环氧树脂和纳米碳微球，并在制备碳纤维膜步骤后加入浸渍步骤，能够提高制备的碳纤维增强碳基复合材料的尺寸稳定性，将本发明制备的碳基复合材料置于-30℃，以2℃/min的升温速度升温至300℃，长度方向的尺寸变化率为0.02-0.03%，宽度方向的尺寸变化率为0.03-0.04%；
（2）本发明的碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，通过在制备碳纤维膜步骤中加入水溶性环氧树脂和纳米碳微球，并在制备碳纤维膜步骤后加入浸渍步骤，能够提高制备的碳纤维增强碳基复合材料的强度，本发明制备的碳基复合材料的弯曲强度为218-227MPa，拉伸强度为276-283MPa，压缩强度为304-312MPa；
（3）本发明的碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，通过在制备碳纤维膜步骤中加入水溶性环氧树脂和纳米碳微球，并在制备碳纤维膜步骤后加入浸渍步骤，能够提高制备的碳纤维增强碳基复合材料的导热性，本发明制备的碳基复合材料的热导率为494-508W/mK；
（4）本发明的碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，通过在制备碳纤维膜步骤中加入水溶性环氧树脂和纳米碳微球，并在制备碳纤维膜步骤后加入浸渍步骤，能够降低制备的碳纤维增强碳基复合材料的脆性，本发明制备的碳基复合材料的冲击韧性为18-19J/cm2；
（5）本发明的碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，通过在制备碳纤维膜步骤中加入水溶性环氧树脂和纳米碳微球，并在制备碳纤维膜步骤后加入浸渍步骤，能够提高制备的碳纤维增强碳基复合材料的抗热冲击性，采用丁烷喷灯对本发明制备的碳纤维增强碳基复合材料进行持续烧蚀，同时采用冲击频率为10s一次，强度为1MPa的机械冲击力进行机械冲击，发生断裂时的持续冲击时间为37-39min。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。
实施例1
一种碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，具体为：
1.制备碳纤维膜：将萘系中间相沥青加入球磨机中进行球磨，控制球磨时的转速为300rpm，球料比为2:1，时间为7h，然后将30g碳纤维、50g球磨后的萘系中间相沥青、4g纳米碳微球、5g纳米炭黑、3g甲基纤维素、1.5g曲拉通X-100、2g聚乙二醇600、3g水溶性环氧树脂、70g去离子水混合后进行球磨，控制球磨时的转速为300rpm，球料比为2:1，时间为10h，然后加入混捏机进行捏合，控制捏合温度为150℃，转速为1000rpm，时间为3.5h，捏合结束后，使用轧片机进行压实，得到厚度为500μm的膜生坯，将膜生坯以5℃/min的升温速度升温至550℃，保温30min，自然冷却至室温，得到碳纤维膜；
所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，直径为14μm，长度为1.8mm；
所述纳米炭黑的粒径为50nm；
所述纳米碳微球的制备方法为：将35g葡萄糖、300g去离子水加入反应釜中，将反应釜的温度控制至30℃，搅拌速度控制至100rpm，搅拌5min，倒出，得到葡萄糖水溶液；将12g十六烷基三甲基溴化铵、300g去离子水加入反应釜中，将反应釜的温度控制至30℃，搅拌速度控制至100rpm，搅拌5min，倒出，得到十六烷基三甲基溴化铵水溶液；将葡萄糖水溶液、十六烷基三甲基溴化铵水溶液、30g碳酸钙加入密闭反应釜中，将反应釜密闭后，将密闭反应釜的温度控制至50℃，搅拌速度控制至100rpm，搅拌30min，将密闭反应釜的温度控制至170℃，继续搅拌10h，自然冷却至室温后，打开密闭反应釜，进行离心，控制离心时的转速为7000rpm，时间为20min，离心结束后，使用去离子水清洗沉淀物3次，于80℃下烘干，得到纳米碳微球；
2.浸渍：将纳米碳纤维完全浸泡于浸泡液中，在30℃下完全浸泡1h，取出，置于120℃下烘干，得到浸渍后的碳纤维膜；
所述浸泡液的制备方法为：将10g羧甲基纤维素钠、14g碳纤维A、10g碳纤维B、5g纳米炭黑、1200g去离子水混合后进行超声震荡，控制超声震荡的频率为20kHz，时间为3h，超声震荡结束得到浸泡液；
所述碳纤维A为聚丙烯腈基碳纤维，直径为7μm，长度为0.1mm；
所述碳纤维B为聚丙烯腈基碳纤维，直径为40nm，长度为60μm；
所述纳米炭黑的粒径为50nm；
3.成型：根据零件形状对浸渍后的碳纤维膜进行切割后，将切割后的碳纤维膜铺放在模具中，铺放时，控制相邻的浸渍后的碳纤维膜上碳丝纹路之间的夹角为30°，并将每次铺放层数时的总层数控制至80层，铺放结束后进行合模保压，控制合模保压的压力为9MPa，时间为2h，合模保压结束后进行烧结，控制烧结温度为1200℃，时间为3h，烧结结束得到碳纤维增强碳基复合材料。
实施例2
一种碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，具体为：
1.制备碳纤维膜：将萘系中间相沥青加入球磨机中进行球磨，控制球磨时的转速为350rpm，球料比为2:1，时间为7.5h，然后将32g碳纤维、52g球磨后的萘系中间相沥青、4.5g纳米碳微球、5.5g纳米炭黑、3.5g甲基纤维素、1.8g曲拉通X-100、2.2g聚乙二醇600、3.2g水溶性环氧树脂、72g去离子水混合后进行球磨，控制球磨时的转速为350rpm，球料比为2:1，时间为10.5h，然后加入混捏机进行捏合，控制捏合温度为180℃，转速为1100rpm，时间为3.8h，捏合结束后，使用轧片机进行压实，得到厚度为600μm的膜生坯，将膜生坯以8℃/min的升温速度升温至600℃，保温35min，自然冷却至室温，得到碳纤维膜；
所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，直径为15μm，长度为1.9mm；
所述纳米炭黑的粒径为80nm；
所述纳米碳微球的制备方法为：将36g葡萄糖、310g去离子水加入反应釜中，将反应釜的温度控制至40℃，搅拌速度控制至200rpm，搅拌8min，倒出，得到葡萄糖水溶液；将12.5g十六烷基三甲基溴化铵、320g去离子水加入反应釜中，将反应釜的温度控制至40℃，搅拌速度控制至200rpm，搅拌8min，倒出，得到十六烷基三甲基溴化铵水溶液；将葡萄糖水溶液、十六烷基三甲基溴化铵水溶液、31g碳酸钙加入密闭反应釜中，将反应釜密闭后，将密闭反应釜的温度控制至55℃，搅拌速度控制至200rpm，搅拌40min，将密闭反应釜的温度控制至175℃，继续搅拌11h，自然冷却至室温后，打开密闭反应釜，进行离心，控制离心时的转速为8000rpm，时间为22min，离心结束后，使用去离子水清洗沉淀物4次，于85℃下烘干，得到纳米碳微球；
2.浸渍：将纳米碳纤维完全浸泡于浸泡液中，在40℃下完全浸泡1.2h，取出，置于130℃下烘干，得到浸渍后的碳纤维膜；
所述浸泡液的制备方法为：将11g羧甲基纤维素钠、15g碳纤维A、11g碳纤维B、5.5g纳米炭黑、1250g去离子水混合后进行超声震荡，控制超声震荡的频率为25kHz，时间为3.2h，超声震荡结束得到浸泡液；
所述碳纤维A为聚丙烯腈基碳纤维，直径为7.2μm，长度为0.12mm；
所述碳纤维B为聚丙烯腈基碳纤维，直径为40nm，长度为70μm；
所述纳米炭黑的粒径为80nm；
3.成型：根据零件形状对浸渍后的碳纤维膜进行切割后，将切割后的碳纤维膜铺放在模具中，铺放时，控制相邻的浸渍后的碳纤维膜上碳丝纹路之间的夹角为50°，并将每次铺放层数时的总层数控制至90层，铺放结束后进行合模保压，控制合模保压的压力为9.5MPa，时间为2.2h，合模保压结束后进行烧结，控制烧结温度为1300℃，时间为3.5h，烧结结束得到碳纤维增强碳基复合材料。
实施例3
一种碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，具体为：
1.制备碳纤维膜：将萘系中间相沥青加入球磨机中进行球磨，控制球磨时的转速为400rpm，球料比为3:1，时间为8h，然后将35g碳纤维、55g球磨后的萘系中间相沥青、5g纳米碳微球、6g纳米炭黑、4g甲基纤维素、2g曲拉通X-100、2.5g聚乙二醇600、3.5g水溶性环氧树脂、75g去离子水混合后进行球磨，控制球磨时的转速为400rpm，球料比为3:1，时间为11h，然后加入混捏机进行捏合，控制捏合温度为200℃，转速为1200rpm，时间为4h，捏合结束后，使用轧片机进行压实，得到厚度为800μm的膜生坯，将膜生坯以10℃/min的升温速度升温至650℃，保温40min，自然冷却至室温，得到碳纤维膜；
所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，直径为16μm，长度为2mm；
所述纳米炭黑的粒径为100nm；
所述纳米碳微球的制备方法为：将38g葡萄糖、320g去离子水加入反应釜中，将反应釜的温度控制至50℃，搅拌速度控制至300rpm，搅拌10min，倒出，得到葡萄糖水溶液；将13g十六烷基三甲基溴化铵、350g去离子水加入反应釜中，将反应釜的温度控制至50℃，搅拌速度控制至300rpm，搅拌10min，倒出，得到十六烷基三甲基溴化铵水溶液；将葡萄糖水溶液、十六烷基三甲基溴化铵水溶液、32g碳酸钙加入密闭反应釜中，将反应釜密闭后，将密闭反应釜的温度控制至60℃，搅拌速度控制至300rpm，搅拌50min，将密闭反应釜的温度控制至180℃，继续搅拌12h，自然冷却至室温后，打开密闭反应釜，进行离心，控制离心时的转速为8000rpm，时间为25min，离心结束后，使用去离子水清洗沉淀物4次，于90℃下烘干，得到纳米碳微球；
2.浸渍：将纳米碳纤维完全浸泡于浸泡液中，在50℃下完全浸泡1.5h，取出，置于150℃下烘干，得到浸渍后的碳纤维膜；
所述浸泡液的制备方法为：将12g羧甲基纤维素钠、16g碳纤维A、12g碳纤维B、6g纳米炭黑、1300g去离子水混合后进行超声震荡，控制超声震荡的频率为30kHz，时间为3.5h，超声震荡结束得到浸泡液；
所述碳纤维A为聚丙烯腈基碳纤维，直径为7.5μm，长度为0.15mm；
所述碳纤维B为聚丙烯腈基碳纤维，直径为50nm，长度为80μm；
所述纳米炭黑的粒径为100nm；
3.成型：根据零件形状对浸渍后的碳纤维膜进行切割后，将切割后的碳纤维膜铺放在模具中，铺放时，控制相邻的浸渍后的碳纤维膜上碳丝纹路之间的夹角为60°，并将每次铺放层数时的总层数控制至100层，铺放结束后进行合模保压，控制合模保压的压力为10MPa，时间为2.5h，合模保压结束后进行烧结，控制烧结温度为1400℃，时间为4h，烧结结束得到碳纤维增强碳基复合材料。
对比例1
采用与实施例2相同的碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，其不同之处在于：第1步制备碳纤维膜步骤中省略水溶性环氧树脂的加入，并省略第2步浸渍步骤，即将第1步制备碳纤维膜步骤中制备的碳纤维膜直接用于第3步成型。
对比例2
采用与实施例2相同的碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，其不同之处在于：第1步制备碳纤维膜步骤中省略纳米碳微球的加入。
试验例1
对实施例1-3和对比例1-2制备的碳纤维增强碳基复合材料的尺寸稳定性进行测试，具体为分别将实施例1-3和对比例1-2制备的碳纤维增强碳基复合材料制成长度为50cm，宽度为1cm的测试片，然后置于-30℃，以2℃/min的升温速度升温至300℃，记录在300℃下的长度和宽度，计算长度方向和宽度方向的尺寸变化率，计算公式和计算结果如下：
长度方向的尺寸变化率=（在300℃下的长度-50）/50×100%
宽度方向的尺寸变化率=（在300℃下的宽度-1）/1×100%
由上述结果可以看出，通过在制备碳纤维膜步骤中加入水溶性环氧树脂和纳米碳微球，并在制备碳纤维膜步骤后加入浸渍步骤，能够提高制备的碳纤维增强碳基复合材料的尺寸稳定性；
在制备碳纤维膜步骤中加入水溶性环氧树脂，在捏合和压实中能够起到一定的粘合作用，在将膜生坯升温至600℃后，环氧树脂发生热分解，在碳纤维膜内部形成孔隙，后期在浸渍过程中，小尺寸的碳纤维A、碳纤维B和纳米炭黑会对孔隙进行填充，提高了碳纤维膜内部碳纤维的交联密度，在制备的碳基复合材料内部形成均匀连续的碳纤维分布，从而提高了碳基材料内部的键强度，降低了碳基材料在高温下的尺寸变化率；
在制备碳纤维膜步骤中加入纳米碳微球，纳米碳微球为两层结构，内层为碳酸钙，外层为多孔碳，通过将纳米碳微球的加入量控制至合理范围，一方面，能够起到对内部孔隙进行填充的作用，另一方面，纳米碳微球能够起到一定的散热作用，从而避免碳基材料在高温下发生变形。
试验例2
对实施例1-3和对比例1-2制备的碳纤维增强碳基复合材料的密度、弯曲强度、拉伸强度、压缩强度、热冲击、热导率、冲击韧性进行测试，测试结果如下：
由上述结果可知，通过在制备碳纤维膜步骤中加入水溶性环氧树脂和纳米碳微球，并在制备碳纤维膜步骤后加入浸渍步骤，能够提高制备的碳纤维增强碳基复合材料的强度、热导率、韧性；
在制备碳纤维膜步骤中加入水溶性环氧树脂，并在制备碳纤维膜步骤后加入浸渍步骤，小尺寸的碳纤维A、碳纤维B和纳米炭黑会对孔隙进行填充，碳基复合材料内部碳纤维分布密度和交联度的增加，能够起到提高强度、热导率、韧性的作用；
纳米碳微球内部的碳酸钙，具有优异的机械和物理性能，能够对碳基材料起到填充作用，从而提高碳基材料的强度，同时纳米碳微球外层的多孔碳能够提高碳基复合材料内部碳纤维与基体之间的键合强度，从而提高了碳基复合材料的热导率和韧性，还能够进一步提高碳基复合材料的强度。
试验例3
对实施例1-3和对比例1-2制备的碳纤维增强碳基复合材料的抗热冲击性进行测试，具体为：将实施例1-3和对比例1-2制备的碳纤维增强碳基复合材料的厚度切割成1cm，采用丁烷喷灯分别对切割后的碳纤维增强碳基复合材料持续烧蚀，同时采用冲击频率为10s一次，强度为1MPa的机械冲击力进行机械冲击，记录碳纤维增强碳基复合材料发生断裂时持续冲击时间，记录结果如下：
由上述结果可知，通过在制备碳纤维膜步骤中加入水溶性环氧树脂和纳米碳微球，并在制备碳纤维膜步骤后加入浸渍步骤，能够提高制备的碳纤维增强碳基复合材料的抗热冲击性；
在制备碳纤维膜步骤中加入水溶性环氧树脂，并在制备碳纤维膜步骤后加入浸渍步骤，能够提高内部的碳纤维交联密度，从而提高了碳基复合材料的抗热冲击性；加入纳米碳微球，主要是利用内部的碳酸钙本身所具有的优异的机械和物理性能，以及纳米碳微球外层的多孔碳能够提高碳基复合材料内部碳纤维与基体之间的键合强度的作用，从而提高了碳基复合材料的抗热冲击性。
除非另有说明，本发明中所采用的百分数均为质量百分数。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，其特征在于，由以下步骤组成：制备碳纤维膜，浸渍，成型；
所述制备碳纤维膜步骤，将萘系中间相沥青加入球磨机中进行球磨，然后将碳纤维、球磨后的萘系中间相沥青、纳米碳微球、纳米炭黑、甲基纤维素、曲拉通X-100、聚乙二醇600、水溶性环氧树脂、去离子水混合后进行球磨，然后加入混捏机进行捏合，捏合结束后，使用轧片机进行压实，得到膜生坯，将膜生坯升温至550-650℃，保温，自然冷却至室温，得到碳纤维膜；
所述纳米碳微球的制备方法为，将葡萄糖、去离子水加入反应釜中，将反应釜的温度控制至30-50℃，搅拌，得到葡萄糖水溶液；将十六烷基三甲基溴化铵、去离子水加入反应釜中，将反应釜的温度控制至30-50℃，搅拌，得到十六烷基三甲基溴化铵水溶液；将葡萄糖水溶液、十六烷基三甲基溴化铵水溶液、碳酸钙加入密闭反应釜中，将反应釜密闭后，将密闭反应釜的温度控制至50-60℃，搅拌，将密闭反应釜的温度控制至170-180℃，继续搅拌，冷却，离心，清洗、烘干沉淀物，得到纳米碳微球；
所述浸渍步骤，在30-50℃下，将纳米碳纤维完全浸泡于浸泡液中，然后取出，烘干，得到浸渍后的碳纤维膜；
所述浸泡液的制备方法为，将羧甲基纤维素钠、碳纤维A、碳纤维B、纳米炭黑、去离子水混合后进行超声震荡，控制超声震荡的频率为20-30kHz，时间为3-3.5h，超声震荡结束得到浸泡液；
所述成型步骤，根据零件形状对浸渍后的碳纤维膜进行切割后，将切割后的碳纤维膜铺放在模具中，铺放时，控制相邻的浸渍后的碳纤维膜上碳丝纹路之间的夹角为30-60°，并将每次铺放层数时的总层数控制至80-100层，铺放结束后进行合模保压，合模保压结束后进行烧结，烧结结束得到碳纤维增强碳基复合材料。
2.根据权利要求1所述的碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备碳纤维膜步骤中，碳纤维、球磨后的萘系中间相沥青、纳米碳微球、纳米炭黑、甲基纤维素、曲拉通X-100、聚乙二醇600、水溶性环氧树脂、去离子水的质量比为30-35:50-55:4-5:5-6:3-4:1.5-2:2-2.5:3-3.5:70-75。
3.根据权利要求1所述的碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备碳纤维膜步骤中，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，直径为14-16μm，长度为1.8-2mm；
所述纳米炭黑的粒径为50-100nm；
所述捏合温度为150-200℃，转速为1000-1200rpm，时间为3.5-4h；
所述膜生坯的厚度为500-800μm。
4.根据权利要求1所述的碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，其特征在于，所述纳米碳微球的制备中，葡萄糖水溶液中葡萄糖与去离子水的质量比为35-38:300-320；
十六烷基三甲基溴化铵水溶液中十六烷基三甲基溴化铵与去离子水的质量比为12-13:300-350；
所述葡萄糖水溶液中的葡萄糖、十六烷基三甲基溴化铵水溶液中的十六烷基三甲基溴化铵、碳酸钙的质量比为35-38:12-13:30-32。
5.根据权利要求1所述的碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，其特征在于，所述浸泡液的制备中，羧甲基纤维素钠、碳纤维A、碳纤维B、纳米炭黑、去离子水的质量比为10-12:14-16:10-12:5-6:1200-1300。
6.根据权利要求1所述的碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，其特征在于，所述浸泡液的制备中，所述碳纤维A为聚丙烯腈基碳纤维，直径为7-7.5μm，长度为0.1-0.15mm；
所述碳纤维B为聚丙烯腈基碳纤维，直径为40-50nm，长度为60-80μm；
所述纳米炭黑的粒径为50-100nm。
7.根据权利要求1所述的碳纤维增强碳基复合材料的制备方法，其特征在于，所述成型步骤中，合模保压的压力为9-10MPa，时间为2-2.5h；烧结温度为1200-1400℃，时间为3-4h。
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