CN118125862A - 一种碳陶复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳陶复合材料及其制备方法和应用，将碳纤维布与腈纶网胎交替层叠并连续针刺获得碳纤维/腈纶预制体，将碳纤维/腈纶预制体进行碳化处理获得碳化预制体，将碳化预制体进行第一次石墨化处理获得石墨化预制体，将石墨化预制体进行碳增密获得碳碳多孔体，将碳碳多孔体进行第二次石墨化处理，然后经SiC陶瓷增密获得碳陶复合坯料，最后将碳陶复合坯料进行第三次石墨化处理即得碳陶复合材料；本发明在碳纤维预制体制备过程中加入腈纶网胎以及碳布以一定夹角叠层针刺，既增加预制体中层间碳纤维均一性、又可以确保层间有足够强度，最终实现碳陶复合材料的低成本以及足够强的强度和电阻均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳陶复合材料及其制备方法和应用，属于碳陶复合材料制备技术领域。
背景技术
碳陶复合材料不仅具有高性能陶瓷的高强度、高模量、高硬度、耐冲击、抗氧化、耐高温、耐酸碱和所有化学物质腐蚀、热膨胀系数小、比重轻等优点，同时还完全克服了一般陶瓷材料的脆性大、功能单一等缺点，是世界上公认的理想的高温结构材料、摩擦材料以及深冷材料，是制造机械密封、轴承、模具等原件的优良材料，目前被广泛应用在航空航天、汽车、冶金、半导体和建筑工业等多个领域。
加热器通常要求能够快速、均匀地传到热量，且需长期在高温腐蚀环境下工作，因此对其制备用原材料要求必须具备良好的机械性能、耐高温性、导热性、耐腐蚀性以及成本和加工性能。然而现有的碳陶复合材料受限于较差的导热性、高且不均的电阻率，现有碳陶复合材料制备的加热器发热不均、易打弧，无法满足加热器的使用要求。
碳陶复合材料主要制备工艺包括碳纤维预制的制备、碳增密以及陶瓷化，传统工艺制备碳陶复合材料成本高、电阻不均的主要源于碳纤维预制体的高制备成本及不均。三维编制碳纤维预制体均一性好，但效率低成本高。碳纤维叠层预制体成本较低，但铺层厚度方向无碳纤维各向异性大。穿刺碳纤维预制体各向异性较好成本高。针刺碳纤维预制成本低，但层间叠层有密度不均碳纤维网胎，均一性较差，且无法制备长碳纤维完整性好且体积含量高的碳纤维预制体。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种低成本、电阻均匀的碳陶复合材料的制备方法。
本发明的第二个目的在于提供上述制备方法所制备的碳陶复合材料，本发明所提供的碳陶复合材料具有足够强度的强度和电阻均匀性。
本发明的第三个目的在于提供上述制备方法所制备的碳陶复合材料的应用。将所制备的碳陶复合材料作为加热器。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一种碳陶复合材料的制备方法，将碳纤维布与腈纶网胎交替层叠并连续针刺获得碳纤维/腈纶预制体，将碳纤维/腈纶预制体进行碳化处理获得碳化预制体，将碳化预制体进行第一次石墨化处理获得石墨化预制体，将石墨化预制体进行碳增密获得碳碳多孔体，将碳碳多孔体进行第二次石墨化处理，然后经SiC陶瓷增密获得碳陶复合坯料，最后将碳陶复合坯料进行第三次石墨化处理即得碳陶复合材料；
任意相邻的碳纤维布中经线与经线或纬线与纬线之间具有夹角，所述夹角的度数为30°、45°、60°、90°中的一种，优选为45°。
在本发明中，采用碳纤维布与腈纶网胎交替层叠，其中与碳纤维网胎相比，腈纶网胎分散性好，可制得超薄网胎，且后续热处理可以进一步降低体积含量，提高制品中层间均一性，此外在碳纤维预制制备过程中加入腈纶网胎以及纤维布一定夹角叠层针刺，既增加了预制体中层间碳纤维均一性，又可以确保层间有足够强度，最终实现碳陶复合材料的低成本以及足够强度的强度和电阻均匀性。
发明人发现，要获得具有均一性、稳定合适电阻率，适配用于加热器的碳陶复合材料，采用腈纶网胎，且以一定的夹角交替铺层是至关重要的，若是采用碳纤维网胎，而无法制备难以制备密度均一且高密度的碳纤维预制体，而在交替铺层时，当夹角为45°时，可以进一步的兼顾铺排方向的均一性和厚度方向均一性，提升性能。
优选的方案，所述腈纶网胎由短切腈纶经分散针刺获得，所述短切腈纶的长度为2～100mm。在实际操作过程中，通过分散针刺制得面密度均匀的超薄短切腈纶。
优选的方案，所述碳纤维布选自单向布、平纹布、斜纹布、缎纹布中的一种，优选为平纹布。发明人发现，采用平纹布相比其他的碳纤维布，可以进一步的提高铺排方向上的均一性，减少厚度方向的不均。
优选的方案，所述碳纤维/腈纶预制体中，按质量比计，碳纤维布：腈纶网胎＝40～95：5～60，优选为70～90：10～30，进一步的优选为35～40：1。发明人发现，将碳纤维布与腈纶网胎的比例控制在上述范围内，性能最优，若是腈纶网胎过多会导致厚度方向上碳纤维过多增加不均性。
优选的方案，所述碳纤维/腈纶预制体的密度为0.2～1.5g/cm3，优选为0.5～1.0g/c m3，进一步优选为0.7～0.85g/c m3。
优选的方案，所述碳化处理在真空环境下或保护气氛下进行，所述碳化处理的温度为800～1100℃，所述碳化处理的时间为1～10h。
进一步的优选，所述碳化处理在真空环境下进行，所述碳化处理的温度为850℃，所述碳化处理的时间为3h。
优选的方案，所述第一次石墨化处理在真空或保护气氛下进行，所述第一次石墨化处理的温度≥1800℃，优选为1800℃～2200℃，所述第一次石墨化处理的时间为2～8h。
进一步的优选，所述第一次石墨化处理在氩气气氛下进行，所述第一次石墨化处理的温度为2200℃。
优选的方案，所述碳增密选自化学气相沉积碳增密，树脂浸渍碳化增密、沥青浸渍碳化增密。
进一步的优选，所述碳增密为化学气相沉积碳增密，所述化学气相沉积碳增密时所用碳源为天然气。
进一步的优选，所述碳增密为沥青浸渍碳化增密。
优选的方案，所述碳碳多孔体的密度增密为1.0～1.7g/cm3，优选为1.4～1.6g/cm3。
优选的方案，所述第二次石墨化处理在真空或保护气氛下进行，所述第二次石墨化处理的温度≥1800℃，优选为1800℃～2200℃，所述第二次石墨化处理的时间为2～8h。
进一步的优选，所述第二次石墨化处理在氩气气氛下进行，所述第二次石墨化处理的温度为2200℃。
优选的方案，所述SiC陶瓷增密的工艺选自气体化学气相沉积工艺、硅烷先驱体浸渍裂解工艺、熔融渗硅工艺的一种。
进一步的优选，所述SiC陶瓷增密的工艺选自熔融渗硅工艺，所述熔融渗硅工艺过程中，控制渗硅温度1550℃～2200℃，优选为1850℃，熔渗时间0.5～4h，优选为1.5h，炉内可以为负压或微正压，优选为真空。
优选的方案，所述第三次石墨化处理在真空或保护气氛下进行，所述第三次石墨化处理的温度≥1800℃，优选为1800℃～2200℃，所述第三次石墨化处理的时间为2～8h。
优选的方案，所述碳陶复合坯料的密度为1.6～2.6g/cm3，优选1.9～2.2g/cm3。
进一步的优选，所述第二次石墨化处理在氩气气氛下进行，所述第二次石墨化处理的温度为2200℃。
上述制备工艺中高温石墨化工序可以依据电阻率设计要求选择性不执行或者多次执行。石墨化处理和碳化处理可以安排在同一炉内进行。
本发明还提供上述制备方法所制备的一种碳陶复合材料。
优选的方案，所述碳陶复合材料的密度为1.8～2.5g/cm3，电阻率5μΩ·m～280μΩ·m，抗折强度为50MPa～340MPa。
本发明还提供上述制备方法所制备的一种碳陶复合材料的应用，将碳陶复合材料应用作为加热器。
发明人发现，采用本发明的碳陶复合材料作为加热器，稳定性同石墨加热器，而寿命是同型号石墨加热器的2倍以上。
有益效果
本发明在碳纤维预制体制备过程中加入腈纶网胎同时将腈纶网胎与碳布一定夹角叠层针刺，既增加预制体中层间碳纤维的均一性，又可以确保层间有足够强度，最终实现碳陶复合材料的低成本以及足够强的强度和电阻均匀性。
附图说明
图1传统工艺碳陶内部电子走向示意。
图2本发明碳陶内部电子走向示意图。
图3本发明碳陶复合材料预制体铺层针刺示意图。
具体实施方式
实施例1
将长度在20mm的短切腈纶，经分散针刺成面密度均匀的超薄腈纶网胎。以一层碳纤维布：平纹布，一层腈纶网胎为一单元层，按照一定角度将单元层进行规律叠放然后针刺成针刺制得碳纤维/腈纶预制体，控制相邻单元层碳布经线或纬线夹角为45°，控制碳纤维布与腈纶的质量比为4：1，获得密度为0.70g/cm3的碳纤维/腈纶预制体；
将碳纤维/腈纶预制体在真空下高温碳化，温度为850℃，时间为3h。
然后将碳化后的预制体在氩气保护氛围下高温石墨化处理温度，高温石墨化处理温度的温度为2200℃，时间为2h。
然后采用天然气化学气相沉积碳增密，沉积温度1050℃，沉积200h，获得密度为1.45g/cm3的碳碳多孔体。
将碳碳多孔体在氩气保护氛围下高温石墨化处理温度，高温石墨化处理温度的温度为2200℃，时间为3h。
将经石墨化处理的碳碳多孔体进行熔融渗硅，在真空条件下进行，熔渗温度为1850℃，时间1.5h，获得碳陶坯料；
将碳陶坯料进行在氩气保护氛围下高温石墨化处理温度，高温石墨化处理温度的温度为2200℃，时间为2h；获得密度为2.1g/cm3碳陶复合材料，平均电阻率为23.2μΩ·m，不同部位电阻率偏差±1.5μΩ·m，抗折强度为135MPa，将其应用作为加热器使用寿命为8个月。
实施例2
其他条件与实施例1相同，仅是将平纹布替换为无纬布。获得密度为2.21g/cm3碳陶复合材料，平均电阻率为24.5μΩ·m，不同部位电阻率偏差±2.5μΩ·m，抗折强度为142MPa，将其应用作为加热器使用寿命6个月。
实施例3
将长度在50mm的短切腈纶，经分散针刺成面密度均匀的超薄腈纶网胎。以一层碳纤维布：平纹布，一层腈纶网胎为一单元层，按照一定角度将单元层进行规律叠放然后针刺成针刺制得碳纤维/腈纶预制体，控制相邻单元层碳布经线或纬线夹角为45°，控制碳纤维布与腈纶的质量比为6：1，获得密度为0.60g/cm3的碳纤维/腈纶预制体；
将碳纤维/腈纶预制体在真空下高温碳化，温度为850℃，时间为2h。
然后将碳化后的预制体在氩气保护氛围下高温石墨化处理温度，高温石墨化处理温度的温度为2200℃，时间为3h。
然后采用天然气化学气相沉积碳增密，沉积温度1050℃，沉积200h，获得密度为1.50g/cm3的碳碳多孔体。
将碳碳多孔体在氩气保护氛围下高温石墨化处理温度，高温石墨化处理温度的温度为2200℃，时间为4h。
将经石墨化处理的碳碳多孔体进行熔融渗硅，在真空条件下进行，熔渗温度为1850℃，时间1.5h，获得碳陶坯料；
将碳陶坯料进行在氩气保护氛围下高温石墨化处理温度，高温石墨化处理温度的温度为2200℃，时间为4h；获得密度为2.0g/cm3碳陶复合材料，平均电阻率28.2μΩ·m，不同部位电阻率偏差±1.8μΩ·m，抗折强度为148MPa，将其应用作为加热器使用寿命6个月。
实施例4
将长度在40mm的短切腈纶，经分散针刺成面密度均匀的超薄腈纶网胎。以一层碳纤维布：平纹布，一层腈纶网胎为一单元层，按照一定角度将单元层进行规律叠放然后针刺成针刺制得碳纤维/腈纶预制体，控制相邻单元层碳布经线或纬线夹角为45°，控制碳纤维布与腈纶的质量比为3.5：1，获得密度为0.85g/cm3的碳纤维/腈纶预制体；
将碳纤维/腈纶预制体在真空下高温碳化，温度为850℃，时间为3h。
然后将碳化后的预制体在氩气保护氛围下高温石墨化处理温度，高温石墨化处理温度的温度为2200℃，时间为5h。
然后采用天然气化学气相沉积碳增密，沉积温度1050℃，沉积200h，获得密度为1.55g/cm3的碳碳多孔体。
将碳碳多孔体在氩气保护氛围下高温石墨化处理温度，高温石墨化处理温度的温度为2200℃，时间为5h。
将经石墨化处理的碳碳多孔体进行熔融渗硅，在真空条件下进行，熔渗温度为1850℃，时间1.5h，获得碳陶坯料；
将碳陶坯料进行在氩气保护氛围下高温石墨化处理温度，高温石墨化处理温度的温度为2200℃，时间为5h；获得密度为1.95g/cm3碳陶复合材料，平均电阻率为16.42μΩ·m，不同部位电阻率偏差±1.2μΩ·m，抗折强度为131MPa，将其应用作为加热器使用寿命10个月。
对比例1
其他条件与实施例1相同，仅是将腈纶网胎替换为碳纤维网胎。获得密度为2.18g/cm3碳陶复合材料，平均电阻率为25.6，不同部位电阻率偏差±3.1μΩ·m，抗折强度为118MPa，将其应用作为加热器使用寿命4个月。
对比例2
其他条件与实施例1相同，仅是交替铺层时不设角度。获得密度为2.11g/cm3碳陶复合材料，平均电阻率为26.5μΩ·m，不同部位电阻率偏差±2.1μΩ·m，抗折强度为124MPa，将其应用作为加热器使用寿命6个月。
Claims (10)
1.一种碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：将碳纤维布与腈纶网胎交替层叠并连续针刺获得碳纤维/腈纶预制体，将碳纤维/腈纶预制体进行碳化处理获得碳化预制体，将碳化预制体进行第一次石墨化处理获得石墨化预制体，将石墨化预制体进行碳增密获得碳碳多孔体，将碳碳多孔体进行第二次石墨化处理，然后经SiC陶瓷增密获得碳陶复合坯料，最后将碳陶复合坯料进行第三次石墨化处理即得碳陶复合材料；
任意相邻的碳纤维布中经线与经线或纬线与纬线之间具有夹角，所述夹角的度数为30°、45°、60°、90°中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：所述夹角的度数为45°。
3.根据权利要求1或2所述的一种碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：
所述腈纶网胎由短切腈纶经分散针刺获得，所述短切腈纶的长度为2～100mm；
所述碳纤维/腈纶预制体中，按质量比计，碳纤维布：腈纶网胎＝40～95：5～60，
所述碳纤维/腈纶预制体的密度为0.2～1.5g/cm3。
4.根据权利要求1或2所述的一种碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：
所述碳化处理在真空环境下或保护气氛下进行，所述碳化处理的温度为800～1100℃，所述碳化处理的时间为1～10h；
所述第一次石墨化处理在真空或保护气氛下进行，所述第一次石墨化处理的温度≥1800℃，所述第一次石墨化处理的时间为2～8h。
5.根据权利要求1或2所述的一种碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：
所述碳增密选自化学气相沉积碳增密，树脂浸渍碳化增密、沥青浸渍碳化增密；所述碳碳多孔体的密度增密为1.0～1.7g/cm3。
6.根据权利要求1或2所述的一种碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：
所述第二次石墨化处理在真空或保护气氛下进行，所述第二次石墨化处理的温度≥1800℃，所述第二次石墨化处理的时间为2～8h。
7.根据权利要求1或2所述的一种碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：
所述SiC陶瓷增密的工艺选自气体化学气相沉积工艺、硅烷先驱体浸渍裂解工艺、熔融渗硅工艺的一种。
8.根据权利要求1或2所述的一种碳陶复合材料的制备方法，其特征在于：
所述第三次石墨化处理在真空或保护气氛下进行，所述第三次石墨化处理的温度≥1800℃，所述第三次石墨化处理的时间为2～8h；
所述碳陶复合坯料的密度为1.6～2.6g/cm3。
9.权利要求1-8任意一项所述的制备方法所制备的一种碳陶复合材料，其特征在于，所述碳陶复合材料的密度为1.8～2.5g/cm3，电阻率5μΩ·m～280μΩ·m，，抗折强度为50MPa～340MPa。
10.根据权利要求1或2所述的一种碳陶复合材料的制备方法所制备的一种碳陶复合材料的应用，其特征在于：将碳陶复合材料应用作为加热器。
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