大构件c/c复合材料坯料制备方法
技术领域
1.本发明涉及c/c复合材料制备技术领域，具体涉及一种大构件c/c复合材料坯料制备方法。
背景技术：
2.c/c复合材料是以碳纤维结构织物作为增强体，经过树脂炭、沥青炭或采用化学气相沉积热解炭的致密化过程，所得的耐高温复合材料，具有比重轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、摩擦性好等一系列优异性能。
3.c/c复合材料性能优异多用于航天、航空等军工领域，是不可代替的高精尖材料，尤其是高温下强度不降反升的性能，是目前其他材料无法企及的。
4.通过提升其抗氧化性，c/c复合材料可用于高超声速型号武器的舵、翼、前缘以及大面积外防热层，后续具有很大的潜力。
5.但当c/c复合材料尺寸达到某种瓶颈时，会极大的增加工艺难度、复杂性，同时带来高昂的成本代价；大尺寸c/c复合材料制备内部存在渗炭不均匀、富炭区较多、材料强度离散度大等缺陷，产品的一致性难以保证。
技术实现要素：
6.本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种大构件c/c复合材料坯料制备方法，实现大尺寸、大厚度c/c复合材料坯料的制备，所制备的坯料具有较高的内部密度均匀性和力学强度。
7.为实现上述目的，本发明所设计的大构件c/c复合材料坯料制备方法，包括如下步骤：
8.a)制备预制体；
9.b)将预制体进行预处理，除湿并去除杂质；
10.c)对预制体进行等压气相沉积，制得坯料；
11.d)制备石墨工装；
12.e)将坯料置于石墨工装中，进行压差气相沉积；
13.f)将沉积后的坯料进行高温石墨化处理；
14.g)将石墨化后的坯料进行液相浸渍-碳化；
15.h)坯料进行高温处理，制得最终的c/c复合材料坯料。
16.优选地，所述步骤a)中，预制体为针刺结构，密度为0.5～0.6g/cm3，内部碳纤维网胎、无纬布交替铺层，针刺密度为5～8针/cm2，预制体尺寸≥1000
×
200
×
100mm，长
×
宽
×
厚。
17.优选地，所述步骤b)中，将预制体在100～120℃低温处理6～8h进行除湿，然后在1800～1900℃进行高温处理1～2h。
18.优选地，所述步骤c)中，等压气相沉积时，将高温处理后的预制体竖立于沉积炉
中，碳源气体为甲烷，稀释气体为氮气，气体流动方式为沿预制体四周自下到上流动，沉积压力10～25kpa，炉温1000～1200℃，沉积时间100～120h，制得坯料，密度为1.0～1.1g/cm3。
19.优选地，所述步骤d)中，石墨工装材质为高纯石墨，工装设计保证坯料的长面和宽面与石墨工装完全贴合，石墨工装为封闭空间，仅在上、下端面留有进、出气口，进气口在石墨工装下端面正中心，出气口均布于上端面，出气口间距不大于20mm。
20.优选地，所述步骤e)中，将坯料置于石墨工装中，保证气流具有沿坯料内部扩散流动的趋势，进行压差气相沉积，碳源气体为甲烷，稀释气体为氮气，气体流动方式为沿预制体四周自下到上流动，沉积压力10～25kpa，炉温1000～1200℃，沉积时间100～120h，处理后的坯料密度为1.5～1.6g/cm3。
21.优选地，所述步骤f)中，将沉积后的坯料置于石墨化炉中，在1700～1900℃进行高温石墨化处理1～2h。
22.优选地，所述步骤g)中，将石墨化处理后的坯料真空浸渍酚醛树脂，然后2～3mpa氮气加压5～6h，取出浸渍后的坯料在800～900℃碳化1～2h，重复本步骤10～12次，制得的坯料密度为1.85～1.9g/cm3。
23.优选地，所述步骤h)中，将碳化处理后的坯料在2600～2800℃高温处理1～2h，制得c/c复合材料坯料。
24.本发明与现有技术相比，具有以下优点：
25.1、成功制备坯料尺寸≥1000
×
200
×
100mm(长
×
宽
×
厚)的大尺寸c/c复合材料坯料；
26.2、制备的c/c复合材料坯料内部均匀性好，材料力学强度高；
27.3、制备方法简单，成本低；
28.4、制备的c/c复合材料坯料产品一致性好。
具体实施方式
29.下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
30.实施例1
31.a)制备预制体，预制体为针刺结构，密度为0.5g/cm3，内部碳纤维网胎、无纬布交替铺层，针刺密度为5针/cm2，预制体尺寸1000
×
200
×
100mm，长
×
宽
×
厚；
32.b)将预制体在100℃低温处理6h进行除湿，然后在1800℃进行高温处理1h；
33.c)对预制体进行等压气相沉积，将高温处理后的预制体竖立于沉积炉中，碳源气体为甲烷，稀释气体为氮气，气体流动方式为沿预制体四周自下到上流动，沉积压力10kpa，炉温1000℃，沉积时间100h，制得坯料；
34.d)制备石墨工装，石墨工装材质为高纯石墨，工装设计保证坯料的长面和宽面与石墨工装完全贴合，石墨工装为封闭空间，仅在上、下端面留有进、出气口，进气口在石墨工装下端面正中心，出气口均布于上端面，出气口间距不大于20mm；
35.e)将坯料置于石墨工装中，保证气流具有沿坯料内部扩散流动的趋势，进行压差气相沉积，碳源气体为甲烷，稀释气体为氮气，气体流动方式为沿预制体四周自下到上流动，沉积压力10kpa，炉温1000℃，沉积时间100h；
36.f)将沉积后的坯料置于石墨化炉中，在1700℃进行高温石墨化处理1h；
37.g)将石墨化处理后的坯料真空浸渍酚醛树脂，然后2mpa氮气加压5h，取出浸渍后的坯料在800℃碳化1h，重复本步骤10次，制得的坯料密度为1.85g/cm3；
38.h)将碳化处理后的坯料在2600℃高温处理1h，制得c/c复合材料坯料，密度为1.83g/cm3。
39.经测试，本实施例制得的c/c复合材料坯料中间取样密度1.81g/cm3，边缘取样密度1.84g/cm3；拉伸强度高达180mpa，弯曲强度高达270mpa。
40.实施例2
41.a)制备预制体，预制体为针刺结构，密度为0.6g/cm3，内部碳纤维网胎、无纬布交替铺层，针刺密度为8针/cm2，预制体尺寸1200
×
200
×
100mm，长
×
宽
×
厚；
42.b)将预制体在120℃低温处理8h进行除湿，然后在1900℃进行高温处理1h；
43.c)对预制体进行等压气相沉积，将高温处理后的预制体竖立于沉积炉中，碳源气体为甲烷，稀释气体为氮气，气体流动方式为沿预制体四周自下到上流动，沉积压力25kpa，炉温1200℃，沉积时间100h，制得坯料；
44.d)制备石墨工装，石墨工装材质为高纯石墨，工装设计保证坯料的长面和宽面与石墨工装完全贴合，石墨工装为封闭空间，仅在上、下端面留有进、出气口，进气口在石墨工装下端面正中心，出气口均布于上端面，出气口间距不大于20mm；
45.e)将坯料置于石墨工装中，保证气流具有沿坯料内部扩散流动的趋势，进行压差气相沉积，碳源气体为甲烷，稀释气体为氮气，气体流动方式为沿预制体四周自下到上流动，沉积压力25kpa，炉温1200℃，沉积时间100h；
46.f)将沉积后的坯料置于石墨化炉中，在1900℃进行高温石墨化处理1h；
47.g)将石墨化处理后的坯料真空浸渍酚醛树脂，然后3mpa氮气加压5h，取出浸渍后的坯料在900℃碳化1h，重复本步骤10次，制得的坯料密度为1.88g/cm3；
48.h)将碳化处理后的坯料在2600℃高温处理1h，制得c/c复合材料坯料，密度为1.86g/cm3。
49.经测试，本实施例制得的c/c复合材料坯料中间取样密度1.81g/cm3，边缘取样密度1.84g/cm3；拉伸强度高达180mpa，弯曲强度高达270mpa。
50.实施例3
51.a)制备预制体，预制体为针刺结构，密度为0.6g/cm3，内部碳纤维网胎、无纬布交替铺层，针刺密度为6针/cm2，预制体尺寸1000
×
300
×
100mm，长
×
宽
×
厚；
52.b)将预制体在120℃低温处理8h进行除湿，然后在1900℃进行高温处理2h；
53.c)对预制体进行等压气相沉积，将高温处理后的预制体竖立于沉积炉中，碳源气体为甲烷，稀释气体为氮气，气体流动方式为沿预制体四周自下到上流动，沉积压力25kpa，炉温1200℃，沉积时间120h，制得坯料；
54.d)制备石墨工装，石墨工装材质为高纯石墨，工装设计保证坯料的长面和宽面与石墨工装完全贴合，石墨工装为封闭空间，仅在上、下端面留有进、出气口，进气口在石墨工装下端面正中心，出气口均布于上端面，出气口间距不大于20mm；
55.e)将坯料置于石墨工装中，保证气流具有沿坯料内部扩散流动的趋势，进行压差气相沉积，碳源气体为甲烷，稀释气体为氮气，气体流动方式为沿预制体四周自下到上流
动，沉积压力25kpa，炉温1200℃，沉积时间120h；
56.f)将沉积后的坯料置于石墨化炉中，在1900℃进行高温石墨化处理2h；
57.g)将石墨化处理后的坯料真空浸渍酚醛树脂，然后3mpa氮气加压6h，取出浸渍后的坯料在900℃碳化2h，重复本步骤12次，制得的坯料密度为1.89g/cm3；
58.h)将碳化处理后的坯料在2600℃高温处理2h，制得c/c复合材料坯料，密度为1.85g/cm3。
59.经测试，本实施例制得的c/c复合材料坯料中间取样密度1.81g/cm3，边缘取样密度1.86g/cm3；拉伸强度高达160mpa，弯曲强度高达260mpa。
60.实施例4
61.a)制备预制体，预制体为针刺结构，密度为0.6g/cm3，内部碳纤维网胎、无纬布交替铺层，针刺密度为7针/cm2，预制体尺寸1000
×
200
×
150mm，长
×
宽
×
厚；
62.b)将预制体在110℃低温处理7h进行除湿，然后在1850℃进行高温处理1.5h；
63.c)对预制体进行等压气相沉积，将高温处理后的预制体竖立于沉积炉中，碳源气体为甲烷，稀释气体为氮气，气体流动方式为沿预制体四周自下到上流动，沉积压力20kpa，炉温1100℃，沉积时间110h，制得坯料；
64.d)制备石墨工装，石墨工装材质为高纯石墨，工装设计保证坯料的长面和宽面与石墨工装完全贴合，石墨工装为封闭空间，仅在上、下端面留有进、出气口，进气口在石墨工装下端面正中心，出气口均布于上端面，出气口间距不大于20mm；
65.e)将坯料置于石墨工装中，保证气流具有沿坯料内部扩散流动的趋势，进行压差气相沉积，碳源气体为甲烷，稀释气体为氮气，气体流动方式为沿预制体四周自下到上流动，沉积压力20kpa，炉温1100℃，沉积时间110h；
66.f)将沉积后的坯料置于石墨化炉中，在1800℃进行高温石墨化处理1.5h；
67.g)将石墨化处理后的坯料真空浸渍酚醛树脂，然后2.5mpa氮气加压5.5h，取出浸渍后的坯料在850℃碳化1.5h，重复本步骤11次，制得的坯料密度为1.89g/cm3；
68.h)将碳化处理后的坯料在2700℃高温处理1.5h，制得c/c复合材料坯料，密度为1.84g/cm3。
69.经测试，本实施例制得的c/c复合材料坯料中间取样密度1.82g/cm3，边缘取样密度1.85g/cm3；拉伸强度高达150mpa，弯曲强度高达240mpa。
70.实施例5
71.a)制备预制体，预制体为针刺结构，密度为0.5g/cm3，内部碳纤维网胎、无纬布交替铺层，针刺密度为7针/cm2，预制体尺寸1100
×
250
×
150mm，长
×
宽
×
厚；
72.b)将预制体在100℃低温处理6h进行除湿，然后在1800℃进行高温处理1h；
73.c)对预制体进行等压气相沉积，将高温处理后的预制体竖立于沉积炉中，碳源气体为甲烷，稀释气体为氮气，气体流动方式为沿预制体四周自下到上流动，沉积压力25kpa，炉温1100℃，沉积时间100h，制得坯料；
74.d)制备石墨工装，石墨工装材质为高纯石墨，工装设计保证坯料的长面和宽面与石墨工装完全贴合，石墨工装为封闭空间，仅在上、下端面留有进、出气口，进气口在石墨工装下端面正中心，出气口均布于上端面，出气口间距不大于20mm；
75.e)将坯料置于石墨工装中，保证气流具有沿坯料内部扩散流动的趋势，进行压差
气相沉积，碳源气体为甲烷，稀释气体为氮气，气体流动方式为沿预制体四周自下到上流动，沉积压力25kpa，炉温1100℃，沉积时间100h；
76.f)将沉积后的坯料置于石墨化炉中，在1700℃进行高温石墨化处理1h；
77.g)将石墨化处理后的坯料真空浸渍酚醛树脂，然后2mpa氮气加压5h，取出浸渍后的坯料在800℃碳化1h，重复本步骤10次，制得的坯料密度为1.86g/cm3；
78.h)将碳化处理后的坯料在2600℃高温处理1h，制得c/c复合材料坯料，密度为1.84g/cm3。
79.经测试，本实施例制得的c/c复合材料坯料中间取样密度1.81g/cm3，边缘取样密度1.85g/cm3；拉伸强度高达185mpa，弯曲强度高达280mpa。