CN1314322A - 电热解快速致密碳/碳复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种电热解快速制备碳/碳复合材料的技术。目的是快速致密C/C复合材料,适用于工业化生产,广泛应用交通、机械等行业,技术是由碳纤维多孔结构组成的胚体和由环已烷、煤油等基体前驱体以冷壁热梯度化学液气相快速电热解渗入法得到密度达1.6～1.8克/厘米3的C/C复合材料。优点是经试制效果显著,胚体10小时内即可制成C/C复合材料,液烃基体前驱动利用率在于19%。
Description
本发明涉及碳/碳复合材料快速致密化的技术，专指电热解快速致密C/C碳/碳复合材料。
在背景技术中，迄今为止，除飞机、赛车和极少数高级小轿车的刹车系统使用C/C复合材料外，火车、汽车和摩托车在世界各国均未使用C/C刹车复合材料，其主要原因是价格十分昂贵。作为特殊的C/C复合材料常用于火箭、导弹、航天飞机、坦克和飞机，例如：C/C复合材料作为耐烧蚀材料用于导弹和火箭的喉衬、喷管、鼻锥；也用于先进航空发动机尾部鱼鳞片；又如协和号飞机使用C/C复合材料，尽管价格高达每公斤800-1200美元，但其全机重量减轻约675公斤，其价效比仍是令人鼓舞的。制约C/C材料价格的主要是致密化技术，传统工艺是将作为胚体的编织体经多次化学气相沉积或多次浸渍沥青多次碳化，或是上述两种工艺的混合法，其不足之处是工艺周期长，原材料利用率很低，成本昂贵。例如，用化学气相沉积法(CVD)通常约须600-2000小时，中间还有出炉打开闭气孔工艺，生产周期约为3个月到5个月，原材料利用率仅为1.5％以下。据有关报道，美国乔治亚技术研究所(Georgia tech.Ins.),Textron Speacialty Materials公司，Oak Ridge National Laboratory(美国橡树岭国家实验室)都成功得到快速C/C致密技术，其中Textron公司的化学液气相渗透法(CLVD)致密化技术可使致密化的时间仅为通常CVD的1/100,8小时即可使C/C材料密度达到1.85g/m3。该公司于1993年获得1.06亿美元，用于该技术的工业化生产，但其结果未见公开报道。美国加州爱德华空军基地发明了两种快速致密化技术，其一是等离子辅助CVI，另一种液相渗透法，3小时内可使原始密度增至1.4g/cm3，但不易实现工业化生产。另据法国SEP公司报道，该公司已掌握了快速致密化技术，并进行了工业化生产。上述基本的工艺方法都未见报道。
本发明的目的是研制一种与上述技术完全不同的电热解快速致密C/C复合材料，达到在极短时间内制得C/C复合材料，密度达到1.6～1.8克/厘米3，甚至更高，大幅度降低成本，以便广泛应用于汽车等行业的目的，并适用工业化生产。
本发明的技术解决方案如下：
一种C/C复合材料，由碳纤维构成多孔结构的胚体和液烃基体前驱体经冷壁热梯度化学液气相快速电热解渗入法得到密度达1.6～1.8克/厘米3的C/C复合材料。
快速制备C/C复合材料的工艺方法如下：
①胚体准备：将具有多孔炭毡、炭布、炭纤维编织体准备好；
②胚体送入沉积室：将准备好的胚体夹持在电极间置于沉积室。
③基体前驱体送入沉积室：作为液烃基体前驱体的环己烷，或煤油、或汽油、或柴油，或糠醛、或环丙烷、或环戌烷、或环辛烷，或其组合物送入沉积室；
④通入氮气：向沉积室送入氮气，驱赶空气，使沉积室为充满氮气的封闭室；然后通过开冷却装置，使沉积室内壁不断冷却；
⑤通电加热：电解加热，利用胚体的导电性和电阻性，胚体升温，达650-900℃，较佳温度为700-800℃，沉积室工作温度≤75℃，压力≤1.05atm，保温时间20分钟～10小时；
⑥断电、断氮气、断冷却水；
⑦排出基体前驱体：将剩余的基体前驱体排出送入冷却箱保存，待再次使用；
⑧成品出炉：C/C复合材料制成；
⑨加工成零件：将C/C复合材料经机械加工成可需零件。
本发明的实施例说明如下：
实施例1：参见附图，取胚体炭毡(密度＜0.3克/厘米3)或炭布、或炭纤维编织体(密度＜0.8)或其一起送入沉积室，再将基体前驱体的环己烷、或煤油、或汽油、或柴油，或糠醛、或环丙烷、或环戌烷、或环辛烷，或者其级合物通过油泵送入沉积室，其总量始终以全部浸泡胚体为限；然后通入氮气，排出室内空气，再封闭窗口；沉积室内壁的冷却水管，经冷却水泵的作用开始工作。当然也可通过其它冷却介质或手段达到冷却目的。通电加热，采用电热解加热方式，利用温度在650-900℃，控制较佳温度为700-800℃，沉积室温控制在≤75℃，温度即室温或室外温度至75℃之间，压力控制在≤1.05atm，即1个大气压至1.05个大气压。其作用原理是这样的：本发明属于冷壁热梯度化学液气相电热解渗入法。在沉积温度下，炽热的炭胚体加热周围的液烃使其沸腾，强对流换热使炭胚体冷却，工作室壁通有冷却水，使胚体由里向外产生较大温度梯度。当温度升到一定高度时，靠近胚体的液烃汽化产生一层气体隔离膜，气态度烃分子在浓度差的驱动下不断向胚体内扩散分解、沉积到高温区。随着碳的沉积，沉积前缘密度增加。温度进一步升高，沉积前缘不断向外表面推进，从而保证碳在胚体内依次沉积，结果获得密度均匀的C/C复合材料。经过20分钟至10小时的沉积，即断电、断氮气、断冷却水；再排出剩余的基体前驱体，送入冷却箱保存，等待再次使用。成品即是C/C复合材料，取出后机械加工成所需零件，此时即是完整的可销售的并可供装配的零件。
实施例2、以沸点较低的液态烃作为前驱体，其中包括沸点为81℃的环己烷，沸点为150～280℃的煤油，沸点为40～200℃的汽油，沸点为200～350℃的柴油，基体前驱体应具有适当的沸点，不含杂原子的液态烃，下面以环己烷和煤油分别作为前驱体为例：
表1列出了有关沉积速率的实施例数据。以环己烷和煤油为前驱体沉积时，在一定温度下试样密度均随沉积时间(实验时间内)的增加而增大。当密度达到1.5g.cm-3后，增长趋缓。
表1沉积条件对试样密度的影响*
序号 密度/g.cm-3 温度/℃ 时间/min 前驱体
1 1.24 800 20 环己烷
2 1.34 800 40 环己烷
3 1.55 800 60 环己烷
4 1.61 800 80 环己烷
5 1.01 800 30 煤油
6 1.39 800 60 煤油
7 1.55 800 90 煤油
8 1.58 800 120 煤油
9 1.8 800 180 环己烷
*试样胚体为新酚Ⅱ/碳毡化物，密度为0.61g.cm-3
本发明的优点和效果：
①本发明的最本质的特点是能够将炭纤维编织体或炭毡、炭布或其组合在10小时内制成C/C复合材料，密度达到1.6～1.8克/厘米3，甚至更高，而基体前驱体利用率要大于19％。
②由于时间短，快速致密C/C复合材料，故成本降低到传统工艺的1/100，适用于我国汽车、摩托车、轮船等行业。
③经过试制，效果突出，磨擦系数适中，可在0.15～0.45之间任意调整。
Claims (2)
1、电热解快速致密碳/碳复合材料，其特征是：一种C/C复合材料，由碳纤维构成多孔结构的胚体和液烃基体前驱体经冷壁热梯度化学液气相快速电热解渗入法得到密度达1.6～1.8克/厘米3的C/C复合材料。
2、制作权利要求1所述的电热解快速致密碳/碳复合材料的工艺方法如下：
①胚体准备：将具有多孔炭毡、毡布、炭纤维编织体准备好；
②胚体送入沉积室：将准备好的胚体夹持在电极间置于沉积室；
③基体前驱体送入沉积室：作为液烃基体前驱体的环己烷，或煤油、或汽油、或柴油，或糠醛、或环丙烷、或环戌烷、或环辛烷，或其组合物送入沉积室；
④通入氮气：向沉积室送入氮气，驱赶空气，使沉积室为充满氮气的封闭室；然后通过开冷却装置，使沉积室内壁不断冷却；
⑤通电加热：电解加热，利用胚体的导电性和电阻性，胚体升温，达650-900℃，较佳温度为700-800℃，沉积室工作温度≤75℃，压力≤1.05atm，保温时间20分钟～10小时；
⑥断电、断氮气、断冷却水；
⑦排出基体前驱体：将剩余的基体前驱体排出送入冷却箱保存，待再次使用；
⑧成品出炉：C/C复合材料制成；
⑨加工成零件：将C/C复合材料经机械加工成可需零件。
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| CNB00113762XA CN1147450C (zh) | 2000-03-17 | 2000-03-17 | 一种用电热解快速致密制备碳/碳复合材料的方法 |
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| CNB00113762XA CN1147450C (zh) | 2000-03-17 | 2000-03-17 | 一种用电热解快速致密制备碳/碳复合材料的方法 |
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| CN1314322A true CN1314322A (zh) | 2001-09-26 |
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| CN (1) | CN1147450C (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009003424A1 (fr) * | 2007-07-04 | 2009-01-08 | Hunan Kingbo Carbon-Carbon Composites Co. Ltd | Pièce de fixation et procédé de fabrication de celle-ci |
-
2000
- 2000-03-17 CN CNB00113762XA patent/CN1147450C/zh not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009003424A1 (fr) * | 2007-07-04 | 2009-01-08 | Hunan Kingbo Carbon-Carbon Composites Co. Ltd | Pièce de fixation et procédé de fabrication de celle-ci |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1147450C (zh) | 2004-04-28 |
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