专利名称：一种平板类碳/碳复合材料的快速成型方法
技术领域：
本发明涉及一种碳/碳复合材料的成型方法，特别是涉及一种平板类碳/碳复合材料的快速成型方法，属于碳/碳复合材料设备技术领域。
背景技术：
碳/碳复合材料主要由碳纤维和碳基体两部分组成，具有比强度高、高温热稳定性好、热导率高；高温下高强、高模、较高的断裂韧性，良好的生物相容性以及耐磨、抗烧蚀性等一系列优异性能，在航空、航天、核能及交通、体育器材、生物医用等领域具有广泛的应用。碳/碳复合材料常用的制备方法主要有化学气相沉积工艺(chemical vaporinfiltration, CVI)和液相复合工艺，尽管近年来不断衍生出许多如热梯度CVI、脉冲CVI、强制流动CVI、液相沸腾CVI等快速工艺，这些工艺在一定程度上降低了碳/碳复合材料的致密化周期，降低了成本，但同时也存在着一些诸如材料密度均勻性差、组织结构难以控制以及难以制备大尺寸、高密度的碳/碳复合材料等缺点。液相复合工艺包括低压、中压和高压致密化工艺，这种工艺对于制备高密度的碳/碳复合材料来说是一种快速的增密方法，特别是高压致密化工艺，致密化效率更是CVI工艺的数十倍甚至上百倍。然而对于平板类碳/碳复合材料，在化学气相沉积工艺前期以及高压致密化前的低压复合阶段。为防止织物变形，均需要通过施加工装来加以控制，同时采用单一工艺制备碳/碳复合材料致密化周期均较长，成本也较高。目前采用单一的化学气相沉积工艺或液相复合工艺制备碳/碳复合材料时周期长、成本较高，同时在制备平板类碳/碳复合材料时易变形，需要施加工装来控制，从而导致工艺相对复杂，制备难度增加，同时生产效率也降低，成本增加。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种降低致密化工艺周期、 降低成本、无须施加工装、增密速度快、材料密度高、组织均勻性好的平板类碳/碳复合材料的快速成型方法。本发明的技术解决方案是一种平板类碳/碳复合材料的快速成型方法，通过以下步骤实现第一步，碳纤维增强体浸渍树脂溶液，自然晾干后并裁剪至所需尺寸；第二步，将浸渍了树脂的碳/碳复合材料毛坯放在热压机的平台上进行加热、加压固化；第三步，将第二步热压固化后的碳/碳复合材料毛坯放入碳化炉中进行碳化处理；第四步，将第三步碳化后的碳/碳复合材料毛坯放入高温热处理炉中进行高温处理，高温处理工艺为，温度1800 2500°C，最高温度时保温时间1 3h ；
第五步，将第四步高温处理后的碳/碳复合材料毛坯进行高压致密化增密，高压致密化增密工艺为温度750 950°C，压力35 80MPa ；第六步，重复第四步 第五步1 2次，得到平板类碳/碳复合材料。所述第二步加热、加压固化工艺为，固化温度为160 300°C，固化时压力为5 20MPa。所述第三步碳化处理工艺为，碳化温度为750 900°C，最高温度时保温时间2 5h。所述第一步中树脂溶液的固体含量为35 60%。所述第一步中碳纤维增强体为碳布或碳纤维编制的织物。本发明与现有技术相比有益效果为(1)本发明采用热压碳化工艺和高压致密化工艺相结合的方法，在制备平板类碳 /碳复合材料时无须施加工装，增密速度快，材料密度高、组织均勻性好，采用本发明只需通过2次高压致密化工艺处理，平板类碳/碳复合材料密度可达到1. 80g/cm3左右，而采用常规碳/碳复合材料制备工艺要达到此密度至少需要进行4次以上高压致密化处理，大幅度缩短制备周期和降低制备成本；(2)本发明采用树脂基复合材料的热压成型工艺，具有定型和增密的双重功能，无须施加工装，并可制备大尺寸、厚壁平板类碳/碳复合材料，制备的材料上、下表面平行度较高，碳化后碳/碳复合材料一次性密度可达到1. 4 1. 6g/cm3,为后续高压致密化工艺打下良好基础，使减少高压致密化工艺次数成为可能；(3)本发明在碳化后采用高温热处理，不但使树脂碳石墨化，其结构更接近于石墨的三维有序结构，同时还具有改善碳纤维和基体碳之间的界面结合状态，打开材料内部的空隙，利于提高材料后期的致密化效率，使减少高压致密化工艺次数成为可能；(4)本发明采用高压致密化工艺使浙青在高压下渗入材料内部空隙中，同时在高压保持下进行升温，使浙青在高温高压下释放出小分子，并进而裂解成碳，工艺周期短，增密效率高。
图1为本发明工艺流程图。
具体实施例方式本发明针对目前碳/碳复合材料制备周期长，成本较高，且成型过程中易变形等问题，采用热压碳化和高压致密化相结合的方法制备碳/碳复合材料。首先通过把碳布或碳纤维织物浸入到树脂溶液中形成预浸料，然后进行热压固化以及碳化，在此过程中材料的尺寸和厚度可以进行控制，也可用于制备大尺寸的平板类碳/碳复合材料，且此过程不需施加工装，制备的材料上、下表面平行度较高，碳化后碳/碳复合材料一次性密度可达到 1.4 1.6g/cm3，具有定型和增密的双重功能。热压碳化后的碳/碳复合材料为了进一步增密，需要对材料进行中间热处理，中间热处理的目的不但使树脂碳石墨化，其结构更接近于石墨的三维有序结构，同时还具有改善碳纤维和基体碳之间的界面结合状态，打开材料内部的空隙，利于提高材料后期的致密化效率。高压致密化工艺使浙青在高压下渗入材料内部空隙中，同时在高压保持下进行升温，使浙青在高温高压下释放出小分子，并进而裂解成碳，这种工艺周期短，增密效率高。通过2次高压致密化工艺处理，平板类碳/碳复合材料密度可达到1. 80g/cm3左右。具体工艺流程如图1所示，通过以下步骤实现1、碳纤维增强体浸渍树脂溶液，自然晾干后并裁剪至所需尺寸。将碳纤维织物或碳布放入树脂溶液里浸泡，然后取出自然晾干并裁剪成一定尺寸，将裁剪好的碳布平放，并铺层到一定厚度。树脂采用酚醛树脂等常用树脂体系，但最好不要使用含氧的树脂体系，否则制备过程中亦产生氧化，树脂溶液的固体含量一般为35 60%。2、热压固化将浸渍了树脂的碳/碳复合材料毛坯(碳纤维织物或一定厚度的碳布)放在热压机的平台上进行加热、加压固化，热压固化工艺为固化温度为160 300°C，固化时压力为 5 20MPao3、碳化将热压固化后的碳/碳复合材料毛坯放入碳化炉中进行碳化处理，碳化处理工艺为碳化温度为750 900°C，最高温度时保温时间2 5h。4、高温处理将碳化后的碳/碳复合材料毛坯放入高温热处理炉中进行高温处理，高温处理工艺为温度1800 2500°C，最高温度时保温时间1 3h。5、高压致密化增密将高温处理后的碳/碳复合材料毛坯放入热等静压机中进行高压致密化增密，高压致密化增密工艺为温度750 950°C，压力35 80MPa。6、重复高温处理和高压致密化增密1 2次，得到平板类碳/碳复合材料。实施例1首先把碳布放入配置好的树脂溶液中浸渍，树脂溶液的固含量为45% ；然后取出自然晾干，裁剪成平面尺寸为400X400mm的方形碳布约30层，叠放在一起；在热压机的上、 下台面上均勻涂上脱模剂，把叠放好的碳布平铺在下台面上，移动台面使上台面仅靠碳布层上表面；打开电源使上、下台面开始升温，通过上下台面对碳布层的热传导使之预热并在 200°C固化，固化后的材料厚度约Ilmm(可适当调节固化压力来控制厚度)；将固化后的复合材料放入碳化炉中，抽真空排除炉体内部空气，然后通入惰性气体至常压，打开电源并使炉内温度升至900°C进行碳化；将碳化后的碳/碳复合材料放入高温石墨化炉中，抽真空排除炉体内部空气，然后通入惰性气体至常压，升温至2000°C并保持2h;将热处理后的碳/碳复合材料与浙青一起放入热等静压机中进行高压致密化，压力为35 50MPa，温度800°C ； 把碳/碳复合材料放入高温石墨化炉中进行2300°C热处理，保温时间为lh，重复高压致密化和2300°C热处理制度1 2次，碳/碳复合材料的密度为1. 75 1. 90g/cm3。实施例2首先取一块尺寸为300X 300X 25mm的碳纤维毡，然后放入固含量为50%的树脂溶液中，常压下浸泡8h ；然后取出自然晾干，挥发部分树脂溶剂；在热压机的上、下台面上均勻涂上脱模剂，把碳纤维毡平铺在热压机的下台面上，移动台面使上台面仅靠碳纤维织物上表面；打开电源使上、下台面开始升温，通过上下台面对织物的热传导使之预热并在 280°C固化；将固化后的复合材料放入碳化炉中，抽真空排除炉体内部空气，然后通入惰性气体至常压，打开电源并使炉内温度升至800°C进行碳化；将碳化后的碳/碳复合材料放入高温石墨化炉中，抽真空排除炉体内部空气，然后通入惰性气体至常压，升温至2100°C并保持2h ；将热处理后的碳/碳复合材料与浙青一起放入热等静压机中进行高压致密化，压力为45 75MPa，温度800°C;把碳/碳复合材料放入高温石墨化炉中进行2500°C热处理；重复高压致密化和2500°C热处理制度1 2次，最终材料的密度约为1. 85 1. 95g/cm3。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
权利要求
1.一种平板类碳/碳复合材料的快速成型方法，其特征在于通过以下步骤实现 第一步，碳纤维增强体浸渍树脂溶液，自然晾干后并裁剪至所需尺寸；第二步，将浸渍了树脂的碳/碳复合材料毛坯放在热压机的平台上进行加热、加压固化；第三步，将第二步热压固化后的碳/碳复合材料毛坯放入碳化炉中进行碳化处理； 第四步，将第三步碳化后的碳/碳复合材料毛坯放入高温热处理炉中进行高温处理， 高温处理工艺为，温度1800 2500°C，最高温度时保温时间1 3h ；第五步，将第四步高温处理后的碳/碳复合材料毛坯进行高压致密化增密，高压致密化增密工艺为温度750 950°C，压力35 80MPa ；第六步，重复第四步 第五步1 2次，得到平板类碳/碳复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种平板类碳/碳复合材料的快速成型方法，其特征在于 所述第二步加热、加压固化工艺为，固化温度为160 300°C，固化时压力为5 20MPa。
3.根据权利要求1所述的一种平板类碳/碳复合材料的快速成型方法，其特征在于 所述第三步碳化处理工艺为，碳化温度为750 900°C，最高温度时保温时间2 5h。
4.根据权利要求1所述的一种平板类碳/碳复合材料的快速成型方法，其特征在于 所述第一步中树脂溶液的固体含量为35 60%。
5.根据权利要求1所述的一种平板类碳/碳复合材料的快速成型方法，其特征在于 所述第一步中碳纤维增强体为碳布或碳纤维编制的织物。
全文摘要
本发明针对目前碳/碳复合材料制备周期长，成本高等问题，提出了一种平板类碳/碳复合材料的快速成型方法。本发明采用树脂基复合材料热压快速成型工艺的思路，以及碳/碳复合材料碳化工艺和高压致密化快速增密工艺相结合的方法。在制备平板类碳/碳复合材料时工艺过程简单，易于控制，同时可制备大尺寸、厚壁平板类碳/碳复合材料，材料密度高，组织均匀性好，且能大幅度缩短制备周期和降低材料成本。
文档编号C04B35/622GK102219537SQ20111007542
公开日2011年10月19日 申请日期2011年3月28日 优先权日2011年3月28日
发明者冯志海, 李新涛, 杨文彬, 滕柏林, 王正军, 许正辉, 赵高文, 钟建新 申请人:航天材料及工艺研究所