一种碳/碳复合材料的制备方法与流程

本发明属于材料，具体涉及一种碳/碳复合材料的制备方法。

背景技术：

1、碳/碳复合材料因其卓越的耐高温、低热膨胀系数，高温下的高强度和模量等性能，广泛应用于航空航天、光伏、汽车等领域。但是传统碳/碳复合材料产品的制造成本高，制作周期长，特别是针对形状复杂的碳/碳复合材料产品，需要制造金属模具和借助大吨位压机进行预成型，更加增加了产品的制造周期和成本投入。因此，本发明针对现有碳/碳复合材料成型技术做出更改，使用真空导流工艺结合高残碳胶液，快速制备低成本、高性能碳/碳复合材料产品，特别是针对形状复杂的产品，优势更加明显。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种碳/碳复合材料的制备方法，该方法制得的碳/碳复合材料具有良好的密度、弯曲强度及拉伸强度。

2、本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：

3、一种碳/碳复合材料，上述碳/碳复合材料由碳纤维预制体，经胶液浸渍，固化，碳化，再经增密剂进行液相增密获得；

4、上述胶液包含液态酚醛树脂、2-氨乙基吗啉和添加剂；

5、上述添加剂选自硅粉、石墨或改性石墨中的至少一种；

6、上述改性石墨的制备方法，包括：对石墨进行氧化处理，然后与3-氯丙基三甲氧基硅烷发生缩合反应，再与3-羟基苯甲酰肼发生取代反应，制得改性石墨。

7、需要说明的是，上述添加剂还包含硅粉。

8、需要说明的是，上述硅粉为600~900目硅粉；上述石墨为600~900目石墨。

9、具体地，上述碳/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

10、在液态酚醛树脂中加入添加剂，25~30℃条件下，以200~500r/min的转速，搅拌混合0.5~1h，然后加入树脂消泡剂，再以200~500r/min的转速，搅拌混合0.5~1h，获得胶液；在碳纤维预制体表面依次铺放脱模布、导流网、树脂缠绕管、树脂管和真空袋，对模具四周进行密封处理，预留抽气孔和胶液注入孔，抽气孔连接真空泵，注胶孔连接浸胶胶液，抽真空注入胶液，然后在真空度-0.8~-1bar条件下，90~110℃固化0.5~1.5h，再升温至140~160℃固化1.5~2.5h，取出，在900~2500℃碳化处理4~8h；然后采用增密剂进行液相增密，再经机加工，制得碳/碳复合材料。

11、本发明结合真空导流工艺制造低成本、制造周期短的高性能碳/碳复合材料产品，无须使用传统工艺的针刺机或高吨位压机，设备投入少。

12、需要说明的是，上述液态酚醛树脂的粘度为100~300mpa•s。

13、需要说明的是，上述液态酚醛树脂与添加剂的质量比为：1:0.4~0.45。

14、需要说明的是，上述树脂消泡剂包含聚醚改性硅油；上述树脂消泡剂用量为液态酚醛树脂和添加剂总用量的0.01wt%~0.05wt%。

15、需要说明的是，上述碳纤维预制体与胶液的质量比为：1:0.5~1。

16、本发明还公开了一种碳纤维预制体的制备方法，包括：将相邻碳纤维织物层按照0/90°或±45°的角度进行铺贴，制得碳纤维预制体。

17、需要说明的是，上述增密剂包含：沥青树脂、石墨和分散剂。

18、需要说明的是，上述增密剂中，沥青树脂与石墨的质量比为：1:0.25~0.3；沥青树脂与分散剂的质量比为：1:0.12~0.18；上述石墨为900~1200目石墨。

19、需要说明的是，上述沥青树脂的残碳率为60%~70%。

20、需要说明的是，上述分散剂包含乙基纤维素。

21、需要说明的是，上述液相增密的工艺流程包括固化和碳化。

22、需要说明的是，上述液相增密次数为1~2次。

23、具体地，上述液相增密的工艺流程包括：

24、第一次液相增密处理：在2.0~3.0mpa条件下，将增密剂充分浸入到需增密处理的产品中，然后在140~160℃固化1.5~2.5h，然后升温至190~210℃固化3.5~4.5h；取出，然后在900~1800℃碳化4~8h；

25、第二次液相增密处理：在3.0~5.0mpa条件下，将增密剂充分浸入到第一次液相增密处理后的产品中，然后在140~160℃固化1.5~2.5h，然后升温至190~210℃固化3.5~4.5h；取出，然后在2000~2500℃碳化6~10h。

26、需要说明的是，上述液相增密的工艺流程中，产品与增密剂的质量比为：1:0.4-0.55。

27、本发明还公开了一种改性石墨的制备方法，包括：对石墨进行氧化处理，然后与3-氯丙基三甲氧基硅烷发生缩合反应，再与3-羟基苯甲酰肼发生取代反应，制得改性石墨。

28、本发明提供了一种改性石墨的制备方法，采用3-氯丙基三甲氧基硅烷与氧化石墨中的羟基发生脱水缩合反应，然后再以3-羟基苯甲酰肼为改性剂，制得的改性石墨作为添加剂加入到胶液中，然后再用于碳/碳复合材料的制备，使得制得的碳/碳复合材料具有良好的密度、弯曲强度及拉伸强度。

29、具体地，上述改性石墨的制备方法，包括以下步骤：

30、在冰浴条件下，将石墨加入到浓度为95~98wt%的硫酸溶液中，然后加入硝酸钠，再缓慢加入高锰酸钾，持续搅拌80~120min，然后升温至35~38℃，搅拌25~35min，加入去离子水，在80~90℃，缓慢加入浓度为4~6wt%的双氧水，至反应液变成金黄色，过滤，采用浓度为6~8wt%的盐酸溶液洗涤，蒸馏水洗涤至中性，干燥，获得氧化石墨；将氧化石墨加入到乙醇（两者的质量体积比为：1g:10~15ml）中，超声分散均匀后，加入浓度为25~30wt%的3-氯丙基三甲氧基硅烷的乙醇溶液，然后在75~80℃回流反应5.5~7h，过滤，乙醇洗涤，干燥，获得偶联剂改性的石墨；然后氮气氛围下，在偶联剂改性的石墨中加入浓度为5~8wt%的3-羟基苯甲酰肼的乙醇溶液，加热回流反应10-15h，过滤，乙醇洗涤3~5次，70~85℃热水洗涤3~5次，干燥，获得改性石墨。

31、需要说明的是，上述石墨与硫酸溶液的质量体积比为：1g:20~30ml；上述石墨与硝酸钠的质量比为：1:0.45~0.55；上述石墨与高锰酸钾的质量比为：1:2.5~4；石墨与去离子水的质量体积比为：1g:40~50ml；石墨与双氧水的质量体积比为：1g:35~45ml。

32、需要说明的是，上述氧化石墨与3-氯丙基三甲氧基硅烷的质量比为：1:0.2~0.25。

33、需要说明的是，上述偶联剂改性的石墨与3-羟基苯甲酰肼的质量比为：1:1.2~1.5。

34、为进一步提升碳/碳复合材料的性能，本发明还在碳/碳复合材料的制备过程中加入2-氨乙基吗啉。

35、本发明在碳/碳复合材料的制备过程中加入2-氨乙基吗啉，获得的碳/碳复合材料具有良好的弯曲强度及拉伸强度；原因可能是由于2-氨乙基吗啉中具有含氧活性官能团，该活性官能团的存在提升了碳纤维的集束能力，改善了碳纤维与树脂间的浸润性，且能够填充碳纤维表面的沟槽结构，从而进一步提升了碳/碳复合材料的拉伸强度及弯曲强度。

36、需要说明的是，上述2-氨乙基吗啉在碳/碳复合材料的制备过程中与添加剂一同加入。

37、需要说明的是，上述添加剂与2-氨乙基吗啉的质量比为：1:0.15~0.25。

38、本发明的有益效果包括：

39、本发明获得了一种碳/碳复合材料的制备方法，该方法通过真空导流工艺制造高性能树脂基复合材料；然后通过对树脂基复合材料碳化、浸渍增密，得到高性能、低成本碳/碳复合材料。且本发明提供的技术方案操作简单，设备投入少，制造周期短，可以满足大批量、低成本的快速生产制造；制得的碳/碳复合材料具有良好的密度、弯曲强度及拉伸强度；另外本发明还采用3-羟基苯甲酰肼改性石墨，然后再将改性石墨用于碳/碳复合材料的制备过程中，使得制得的碳/碳复合材料具有更优的密度、弯曲强度及拉伸强度。

40、因此，本发明提供了一种碳/碳复合材料的制备方法，该方法制得的碳/碳复合材料具有良好的密度、弯曲强度及拉伸强度。