专利名称：基体前驱物液汽相热解制备碳/碳－碳化硅复合材料的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备碳/碳-碳化硅复合材料的方法，特别是用化学液汽相热解基体前驱物快速制备碳/碳-碳化硅复合材料的方法。
背景技术：
专利号为CN97199764.0的中国专利介绍了一种碳/碳-碳化硅复合材料的摩擦部件及其制造方法，该发明尤其用于铁路车辆和汽车的制动材料制造。该方法是在增强纤维附近通过化学蒸汽渗透获得热解碳第一种相，至少部分地通过热解一种液相基体前驱物获得第二种碳或陶瓷难熔相，以及通过形成硅化物处理获得碳化硅，基体至少包含在每个或所述摩擦表面附近。该碳/碳-碳化硅复合材料优选范围如下，即至少在每个或所述摩擦表面附近的构成以体积计至少为15～35％的碳纤维，10～55％的含热解碳基体相，2～30％难熔材料的第二种基体相，以及10～35％的碳化硅。
该方法有以下不足难以控制在每个或所述摩擦表面附近得到均匀的组织，组织重复性较差，导致将来每个或所述摩擦表面的摩擦性能不够稳定；基体前驱物利用率低，不到5％，排放污染量大；此外，通过化学蒸汽渗透获得热解碳第一种相，至少部分地通过热解一种液相基体前驱物获得第二种碳或陶瓷难熔相，以及通过形成硅化物处理获得碳化硅，需要集中基体前驱物，制备工艺复杂，制备周期长达一个月以上。
发明内容
为了克服现有技术基体前驱物利用率低、制备周期长的不足，本发明提供一种制备碳/碳-碳化硅复合材料的方法，可以快速、低成本制造碳纤维增强增韧的碳/碳-碳化硅复合材料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种制备碳/碳-碳化硅复合材料药方法，其特征在于，包括下述步骤1)将厚度为1～50mm、密度为0.3g/cm3的二维正交连续炭纤维与短炭纤维混编穿刺毡均匀板材预制物增强体，或者全炭布穿刺编织体均匀板材预制物增强体，放在烘箱中，在80～100℃烘干两小时后，清洁预制物增强体表面；2)将两块铜电极调整在同一水平面上并分别与电源电连接，在铜电极上水平放置四周平直的石墨垫块，然后安放预制物增强体，其上再安放石墨垫块，让预制物增强体处于上下两个石墨垫块的中间，将石墨垫块与预制物增强体紧固，然后将热电偶尖部严格插入预制物增强体厚度的一半处；3)向沉积室内注入六甲基二硅氮烷前躯物，使液面超过预制物增强体5～10毫米，给沉积室连续通入氮气10～30分钟，排除沉积室内空气，接通冷却水循环系统，接通电源加热预制物增强体，在10分钟由室温均匀升到700～900℃，期间不断注入六甲基二硅氮烷前躯物，并保持液面高度超过预制物增强体5～10毫米，保温0.5～15小时；4)关闭电源，自然降温至室温，回收沉积室剩余六甲基二硅氮烷前躯物，取出产品。
本发明的有益效果是，由于采用了六甲基二硅氮烷作为基体前驱物和预制物增强体直接通电加热，化学液气相热解基体前驱物同时获得碳-碳化硅两种基体相，制备时间从现有技术化学蒸汽渗透获得热解碳一种相的一个月以上降低到0.5～15小时；而且工艺简单，一次连续沉积周期即完成制备；由于前躯物可回收再利用，所以前躯物利用率从现有技术化学蒸汽渗透获得热解碳一种相的不到5％提高到50％，前躯物六甲基二硅氮烷本身无污染、无刺激、对人体无伤害，其分解产物与现有技术相比对环境污染小。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图是本发明制备碳/碳-碳化硅复合材料的方法制备装置示意中，1-铜电极 2-石墨块 3-预制物增强体 4-储箱 5-泵 6-沉积室 7-冷却水箱 8-电源具体实施方式
实施例1步骤1增强体准备。检查密度大于0.3g/cm3的二维正交连续炭纤维与短炭纤维混编穿刺毡均匀板材预制物增强体，厚度10mm，宽度10mm，长度100mm。不允许有大于4mm碰伤。在烘箱中80℃烘干两小时后，放置在任意干净平整的铁板上，用毛刷刷去表面灰尘。
步骤2沉积室准备。钢板制沉积室壁夹层由冷却水冷却，检查水循环系统是否有泄漏，清洁沉积室。
步骤3增强体安装。铜电极分别与电源8电连接，两铜电极1工作面必须保持水平，并在同一水平面上。在铜电极1上水平放置四周平直的石墨垫块2，然后安放预制物增强体3，其上再安放石墨垫块2，让预制物增强体3处于上下两层石墨垫块的中间。夹紧两层石墨垫块2和其间的预制物增强体3。同时用游标卡尺测量压下量约为2～3毫米。可选用适当厚度的块规检验压下量。由于预制物增强体3板材编织的不均匀性，压下量只能在一定范围内调节。安装热电偶。用手触摸热电偶尖部，靠体温升温，观察温度表是否升温，以检验热电偶是否工作。然后将热电偶尖部严格插入预制物增强体厚度的一半处。
步骤4化学液气相热解基体前驱物。
从储箱4中用泵5向沉积室6内泵入六甲基二硅氮烷前躯物，使液面略微超过预制物增强体均匀板材的顶部5毫米。然后记录液面计的高度。
通入氮气保护气体至沉积室6内，连续工作通氮气10分钟，以把沉积室内的绝大部分空气排出为准。
致密化沉积接通冷却水箱7通冷却水，接通电源8通电加热预制物增强体3，由室温10分钟均匀升到700℃，致密化沉积中不断通过液体泵从储箱4中泵入的方式补充前躯物，最好保持到原来的液面高度。由于液面沸腾，液面高度不断波动，可在切断电源8的情况下正确判断油面高度，以便加前躯物量正确。沉积时间0.5小时。沉积中严禁水和含水物质进入沉积室6内。
由于预制物增强体3均匀板材是导体，通电中被加热，预制物增强体3均匀板材浸泡在前躯物液体中，因此预制物增强体板3材由中心到外表面形成温度梯度，中心温度高于外表面。六甲基二硅氮烷前躯物液体通过渗透进入增强体3内部，前躯物液体瞬间变为气体，并在高温区热解变为热解碳、SiC和Si3N4的混合物留在内部。随着时间的延长，热解碳、SiC和Si3N4的混合物逐渐由预制物增强体3均匀板材内部向外沉积扩展，最终沉积产物布满整个预制物增强体3均匀板材的空隙中。
步骤5取出产品。切断动力源，自然降温后排出剩余六甲基二硅氮烷前躯物至储箱4。冷却后从向沉积室6取出致密化的最终产品。
实施例2步骤1增强体准备。检查密度大于0.3g/cm3的全炭布穿刺编织体均匀板材预制物增强体，厚度30mm，宽度100mm，长度1000mm。不允许有大于4mm碰伤。在烘箱中90℃空气中烘干两小时后，放置在任意干净平整的铁板上，用毛刷刷去表面灰尘。
步骤2沉积室准备。钢板制沉积室壁夹层由冷却水冷却，检查水循环系统是否有泄漏，清洁沉积室。
步骤3增强体安装。铜电极分别与电源8电连接，两铜电极1工作面必须保持水平，并在同一水平面上。在铜电极1上水平放置四周平直的石墨垫块2，然后安放预制物增强体3，其上再安放石墨垫块2，让预制物增强体3处于上下两层石墨垫块的中间。夹紧两层石墨垫块2和其间的预制物增强体3。同时用游标卡尺测量压下量约为3～4毫米。可选用适当厚度的块规检验压下量。由于预制物增强体3板材编织的不均匀性，压下量只能在一定范围内调节。安装热电偶。用手触摸热电偶尖部，靠体温升温，观察温度表是否升温，以检验热电偶是否工作。然后将热电偶尖部严格插入预制物增强体厚度的一半处。
步骤4化学液气相热解基体前驱物。
从储箱4中用泵5向沉积室6内泵入六甲基二硅氮烷前躯物，使液面略微超过预制物增强体均匀板材的顶部8毫米。然后记录液面计的高度。
通入氮气保护气体至沉积室6内，连续工作通氮气20分钟，以把沉积室内的绝大部分空气排出为准。
致密化沉积接通冷却水箱7通冷却水，接通电源8通电加热预制物增强体3，由室温10分钟均匀升到800℃，致密化沉积中不断通过液体泵从储箱4中泵入的方式补充前躯物，最好保持到原来的液面高度。由于液面沸腾，液面高度不断波动，可在切断电源8的情况下正确判断油面高度，以便加前躯物量正确。沉积时间8小时。沉积中严禁水和含水物质进入沉积室6内。
步骤5取出产品。切断动力源，自然降温后排出剩余六甲基二硅氮烷前躯物至储箱4。冷却后从向沉积室6取出致密化的最终产品。
实施例3步骤1增强体准备。检查密度大于0.3g/cm3的全炭布穿刺编织体均匀板材预制物增强体，厚度50mm，宽度500mm，长度2000mm。不允许有大于4mm碰伤。在烘箱中100℃空气中烘干两小时后，放置在任意干净平整的铁板上，用毛刷刷去表面灰尘。
步骤2沉积室准备。钢板制沉积室壁夹层由冷却水冷却，检查水循环系统是否有泄漏，清洁沉积室。
步骤3增强体安装。铜电极分别与电源8电连接，两铜电极1工作面必须保持水平，并在同一水平面上。在铜电极1上水平放置四周平直的石墨垫块2，然后安放预制物增强体3，其上再安放石墨垫块2，让预制物增强体3处于上下两层石墨垫块的中间。夹紧两层石墨垫块2和其间的预制物增强体3。同时用游标卡尺测量压下量约为4～6毫米。可选用适当厚度的块规检验压下量。由于预制物增强体3板材编织的不均匀性，压下量只能在一定范围内调节。安装热电偶。用手触摸热电偶尖部，靠体温升温，观察温度表是否升温，以检验热电偶是否工作。然后将热电偶尖部严格插入预制物增强体厚度的一半处。
步骤4化学液气相热解基体前驱物。
从储箱4中用泵5向沉积室6内泵入六甲基二硅氮烷前躯物，使液面略微超过预制物增强体均匀板材的顶部10毫米。然后记录液面计的高度。
通入氮气保护气体至沉积室6内，连续工作通氮气30分钟，以把沉积室内的绝大部分空气排出为准。
致密化沉积接通冷却水箱7通冷却水，接通电源8通电加热预制物增强体3，由室温10分钟均匀升到900℃，致密化沉积中不断通过液体泵从储箱4中泵入的方式补充前躯物，最好保持到原来的液面高度。由于液面沸腾，液面高度不断波动，可在切断电源8的情况下正确判断油面高度，以便加前躯物量正确。沉积时间15小时。沉积中严禁水和含水物质进入沉积室6内。
步骤5取出产品。切断动力源，自然降温后排出剩余六甲基二硅氮烷前躯物至储箱4。冷却后从向沉积室6取出致密化的最终产品。
权利要求
1.一种制备碳/碳-碳化硅复合材料的方法，其特征在于，包括下述步骤1)将厚度为1～50mm、密度为0.3g/cm3的二维正交连续炭纤维与短炭纤维混编穿刺毡均匀板材预制物增强体，或者全炭布穿刺编织体均匀板材预制物增强体，放在烘箱中，在80～100℃烘干两小时后，清洁预制物增强体表面；2)将两块铜电极调整在同一水平面上并分别与电源电连接，在铜电极上水平放置四周平直的石墨垫块，然后安放预制物增强体，其上再安放石墨垫块，让预制物增强体处于上下两个石墨垫块的中间，将石墨垫块与预制物增强体紧固，然后将热电偶尖部严格插入预制物增强体厚度的一半处；3)向沉积室内注入六甲基二硅氮烷前躯物，使液面超过预制物增强体5～10毫米，给沉积室连续通入氮气10～30分钟，排除沉积室内空气，接通冷却水循环系统，接通电源加热预制物增强体，在10分钟由室温均匀升到700～900℃，期间不断注入六甲基二硅氮烷前躯物，并保持液面高度超过预制物增强体5～10毫米，保温0.5～15小时；4)关闭电源，自然降温至室温，回收沉积室剩余六甲基二硅氮烷前躯物，取出产品。
全文摘要
本发明公开了一种制备碳/碳－碳化硅复合材料的方法，包括下述步骤将预制物增强体放在烘箱中烘干，在预制物增强体两端上下放置石墨垫块并紧固后放置在铜电极上，向沉积室注入六甲基二硅氮烷前躯物，并连续通入氮气排除沉积室内空气，接通电源加热预制物增强体，在10分钟由室温均匀升到700～900℃，期间不断注入六甲基二硅氮烷前躯物保持液面高度，保温0.5～15小时后关闭电源，自然降温至室温，回收沉积室剩余六甲基二硅氮烷前躯物，取出产品。由于采用了六甲基二硅氮烷作为基体前驱物和预制物增强体直接通电加热，制备时间从现有技术的一个月以上降低到0.5～15小时；而且一次连续沉积周期即完成制备；前躯物利用率从现有技术的不到5％提高到50％。
文档编号C04B35/52GK1884205SQ20061004303
公开日2006年12月27日 申请日期2006年6月27日 优先权日2006年6月27日
发明者乔生儒, 卢国锋, 钟杰华, 张程煜 申请人:西北工业大学