[发明专利]碳/碳复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本申请涉及复合材料的制备领域，特别提供了一种高效低成本的利用酚醛氰酸酯 树脂作为前驱体，采用RTM浸渍-碳化法制备碳/碳复合材料的方法。

背景技术

碳/碳(C/C)复合材料是由碳纤维与碳基体组成的无机非金属基复合材料，其模量 高、强度大、耐磨损、耐腐蚀、吸振性好，特别是具有优异的热稳定性和耐热冲击性 能，在高温下力学强度损失小。自60年代开发以来，已经成为世界高技术领域重点 研究和开发的一种新型材料。在航空航天领域具有重要的应用价值，如用于飞机刹车 片、再入飞行器的热屏蔽材料、火箭鼻锥、发动机喷管、推力室和燃烧室内衬等。

根据复合材料致密化工艺所采用的基体前驱体的类型，碳/碳复合材料的制作工艺 主要有两种方法：一种是化学气相沉积(CVD)法，它是以烃类气体(CH₄、C₂H₄、天然 气等)为基体前驱体，这些气体在高温下产生热解反应后C以原子或液滴的形式沉积 在预制体表面或渗积预制体内部的空隙中，这种方法能够得到较好性能、较高密度的 碳/碳复合材料，缺点是设备复杂、制作周期长、材料利用率低(只有3％左右)、成本 高。另一种方法叫做液相浸渍-碳化法，它是以热塑性沥青或热固性树脂为基体前驱体， 这些原料在高温下发生一系列复杂化学变化而转化为基体碳。这种方法所用原料低 廉，设备简单、制作周期短，因而受到了世界范围内许多科技工作者的重视，成为碳 /碳复合材料研究的一个热点。

但用于制备碳/碳复合材料的基体前驱体，如沥青、酚醛树脂、呋喃树脂都存在一 些固有问题。一方面是热解原料的残碳率较低，如酚醛树脂与呋喃树脂的残碳率在 50％～60％，因而，制备一个致密的零件需要重复浸渍树脂。另一方面的典型问题是 成碳原料的粘度较高，使得树脂的浸润和渗透性不好，需高温高压浸渍。很长的复合 周期和高温高压复合过程使得碳/碳复合材料成本居高不下。

发明内容

本申请的目的是克服现有液相浸渍-碳化法存在的上述技术不足，提供一种高效低 成本的利用高残碳率、低粘度、工艺性能优良酚醛氰酸酯树脂作为前驱体，采用RTM 浸渍-碳化法制备碳/碳复合材料的方法。

本申请的第一方面提供了制备碳/碳复合材料的方法，包括下列步骤：

(a)用包括酚醛氰酸酯树脂的浸渍树脂浸渍碳复合材料基体，得到预制体；

(b)将所述预制体进行固化处理；

(c)将固化后的预制体进行碳化处理，得到碳化后的坯体；

(d)将所述碳化后的坯体进行石墨化处理，得到所述碳/碳复合材料。

任选地，在进行步骤(d)之前，还使所述碳化后的坯体重复进行步骤(a)、步骤(b) 和步骤(c)若干次。重复进行步骤(a)、步骤(b)和步骤(c)的次数可以为多次，例如2次 以上，可以进行2～3次。在本申请中术语“若干次”表示2次或2次以上，例如2～ 10次，优选2～3次。

在一种实施方式中，该包括酚醛氰酸酯树脂的浸渍树脂为酚醛氰酸酯树脂。在一 种实施方式中，酚醛氰酸酯树脂的重量为酚醛氰酸酯树脂和碳复合材料基体的总重量 的35％～55％，碳复合材料基体的重量为酚醛氰酸酯树脂和碳复合材料基体的总重量的 45％～65％。在另一实施方式中，碳复合材料基体为碳纤维材料，选自碳纤维织物或者 碳纤维预成型体等。

在一种实施方式中，步骤(a)按照如下过程进行：将所述碳复合材料基体铺放于 RTM模具中；加热所述RTM模具；当所述RTM模具温度为120～150℃时，将所述 酚醛氰酸酯树脂注入到RTM模具中，加热模具至150～200℃，保温2～4小时，得到 所述预制体。

在一种实施方式中，步骤(b)的固化处理条件为：200～250℃，4-8h。

在一种实施方式中，步骤(c)的碳化处理条件为：碳化处理温度为900～1200℃， 碳化时间为0.5～3h。

在一种实施方式中，步骤(d)的石墨化处理条件为：石墨化处理温度为2300～ 2500℃，处理时间为0.5～2h。

本申请第二方面包括根据本申请方法所得到的碳/碳复合材料，该碳/碳复合材料 的密度为1.5～1.8g/cm³。

本申请的第三方面提供了一种碳/碳复合材料，其以包括酚醛氰酸酯树脂的原料制 备。