[发明专利]在致密化之前将碳纤维丝拆散并且均匀分布于整个碳复合材料坯体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制备碳纤维增强碳复合材料的组合物和方法。更具体地，本发明涉及制备具有基本均匀分布的无规取向碳纤维丝的碳纤维增强碳复合材料的组合物和方法。

背景技术

碳纤维广泛地用于复合材料制品中以改善整体复合材料产品的特殊性能。例如，碳纤维经常埋置在聚合物、金属、陶瓷或碳基体内以改善诸如整体拉伸强度、整体重量、热膨胀系数(CTE)、劲度和复合材料产品热稳定性的性能。适用的碳纤维包括沥青基碳纤维、中间相沥青基碳纤维、各向同性沥青基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维和人造纤维。当与共混组分混合时，这些碳纤维埋置在基体材料内，例如沥青、酚和呋喃，并且模制为半成品或前体复合材料制品。这些半成品的制品根据需要通过固化、热固化、碳化、致密化和石墨化形成碳复合材料。

其中，特别具有工业意义的是碳纤维增强碳复合材料。某些碳纤维增强碳复合材料适合形成具有高温稳定性、强度、劲度、硬度、韧性和抗龟裂性的轻质复合材料制品。例如，沥青基碳纤维已经用于石墨化碳纤维增强碳复合材料坯体(compact)以形成下述制品：制动元件；防滑元件；结构元件，例如车身覆盖件；活塞和气缸，用于交通工具如飞机、高性能汽车、火车和航空交通工具；和导弹元件。

其它的碳纤维增强碳复合材料也广泛用于体石墨产品。例如，碳纤维已经用于改善电极和销的具体性能。在授予Lewis和Singer的英国专利1,526,809中，将50％-80重量％的中间相沥青基碳纤维加入20％-50重量％的沥青基料中，然后挤出以形成可以石墨化的碳复合材料制品。石墨化的复合材料显示出低电阻和低纵向CTE。在授予Shao等人的美国专利6,280,663和美国专利申请2004/0041291中，将衍生自中间相沥青或聚丙烯腈PAN的碳纤维加入包含焦炭和液态沥青基料的其它共混组分中以形成电极原料共混物，添加量为基于所有组分重量的约0.4％-约10重量％，所述共混物通过挤出形成电极原料坯料。挤出后进行碳化、致密化和石墨化，所形成的碳纤维增强碳复合材料制品显示出显著降低的纵向CTE和显著升高的杨氏模量和弯曲强度。

在此类体石墨产品的生产过程中，碳纤维作为利用上浆材料束缚并密实的碳纤维束加入共混物中。用于这些体石墨产品的碳纤维束包含约2000-约20,000根碳纤维(或丝)。但是，所述碳纤维通常不是单根地分散于共混物中而是保持束的形式。

优化单独埋置于基体材料的碳纤维数量和这些单独纤维的平均长度对于碳纤维增强复合材料的增强性能最大化具有特殊的工业意义。理论上讲，通过在维持纤维的原始长度的同时确保无规取向的单根碳纤维在整个碳复合材料制品内完全且均匀分散(这里又成为全分散)可以达到最大的增强效果。过去，通过用机械搅拌混合纤维束与共混物的其它组分份直到拆散纤维束并且以单根纤维分散进行了全分散碳纤维的尝试。但是机械搅拌的严重缺点是该混合方法存在着折断单根纤维以及机械地使纤维从碳纤维束脱离的趋势。这种纤维长度的缩短对碳纤维的增强性能造成了不利影响。因而，现有技术方法需要在拆散量、纤维的分散程度和纤维长度的减少量之间作明显折衷。这种折衷对低水平添加碳纤维的复合材料是不利地，其中所述的添加量以基于共混组分总重量的百分比为测量标准，而且当碳纤维的添加量为共混组分总重量的约1％-约3重量％时是特别不利的。在如此低的碳纤维浓度下，碳纤维束不能在获得的共混物中完全分离为单根纤维。

授予Shao等人的美国专利6,395,220教导了一种不同的制备石墨销的措施。在具体实施方案中，中间相沥青基碳纤维与上浆材料一起密实为每束大约12,000根碳纤维的束，然后切为长度1/4英寸段。碳纤维的重量百分比为所有共混组分的3.2％。所述碳纤维束在圆筒混合器中与熔融沥青基料共混，从而使碳纤维首先分散进入基体材料。加入剩余的共混组分并且机械搅拌。整个搅拌过程中包括大约1小时的混合。然后挤压所获得的销原料共混物以作为随后碳化、致密化和石墨化的销原料。尽管利用该方法碳纤维可以达到在沥青体的高度分散，但是碳纤维-沥青基混合物在混合温度下由于碳纤维在熔融沥青中的增稠效果变得更粘稠。当剩余的共混组分，其包含煅烧过的焦炭颗粒和粉，加入该粘稠碳纤维-沥青混合物时，该方法不能使碳纤维在获得的整个销原料共混物中分散。因而，该方法在将碳纤维完全分散于整个碳复合材料制品的尝试中仅取得部分成功。

所需要的是一种制备碳纤维增强碳复合材料制品的方法，其在所述整个复合材料制品中具有基本均匀分布的无规取向单根碳纤维。