[发明专利]基于压差法快速CVI涂层的炭纸性能改善方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于炭纸制备领域，涉及一种基于压差法快速CVI【即化学气相渗透】涂层的 炭纸性能改善方法和装置。

背景技术

炭纸是一种具有导电性的功能纸，可广泛用于防静电包装、电磁屏蔽、面状发热、耐 热阻燃、新能源、电化学、生物医学等材料。炭纸实际上是一种特殊的炭/炭复合材料，开 发具有良好的导电性能、力学性能和孔隙结构等综合性能的炭纸材料，尤其对高性能质子 交换膜燃料电池的开发具有重要意义。

炭纸具有多种得天独厚的优良性能：低密度、高比强度、高比模量、良好的生物相容 性、耐高温、耐腐蚀、导电导热性和电磁屏蔽性等。因此，炭纤维导电纸及其复合材料的 研究与应用已经引起了国内广泛的关注，目前军事和民用工业上也得到了很多可喜的成 绩，尤其作为质子交换膜燃料电池扩散层的关键部件，已成为研究和开发的热点。炭纸作 为一种特殊的功能纸，其制备方法也和传统的造纸的工艺一样，大致可以分为干法和湿法 两种，当前研究最多的湿法工艺。目前，制备炭纸主要有以下一些方法：

(1)将能作为粘结剂的聚乙烯醇(PVA)之类的溶液与短切碳纤维混合，利用造纸技 术在抄纸机上成型，干燥后使短纤维互相粘结，然后用酚醛树脂等可炭化物质的稀溶液进 行浸渍，经过固化、炭化工艺得到炭粘结碳纤的基底纸材料。

(2)将分散介质与具有自粘结性并能炭化的短纤维混合，抄浆后，用可炭化的短纤 维使短切碳纤维相互粘结，然后在1000℃以上高温的惰性气氛中使可炭化短纤维炭化，由 此可制得气孔率在60％～90％，电阻率在0.1Ω·cm左右的碳纤维多孔材料。

(3)使用短切碳纤维与作为粘结剂的纸浆为原料，通过造纸技术抄纸成型，其中作 为粘结剂的纸浆在以后的憎水处理工艺中被氧化和气化而除去，同时在碳纸上留下均匀的 大量孔隙起到了造孔剂的作用。这种加工方法有利于降低碳纸的制造成本，而且可以通过 控制加入纸浆的量来控制透气率的大小。

基于炭纸的苛刻的服役环境，炭纸必须具备良好的力学性能、电学性能、表面性能、 耐久性以及孔隙尺寸和分布均匀性等物理性能。传统的炭纸制备方法中一般采用树脂等做 炭纤维的粘结剂，干燥以后采用热压的方法使得炭纤维相互连接，然后经过高温下炭化和 石墨化使得树脂变成玻璃炭以提高炭纸的导电性能，因为炭具有较好的导电性能。但是在 炭化和石墨化的过程中，树脂会随温度的逐步提高逐渐产生体积收缩，密度降低，纤维与 基体炭之间可能产生开裂，基体炭内部也可能产生裂纹。这些问题出现的直接后果就是炭 纸整体的导电性和力学性能会因之而严重下降，耐久性也会出现问题。

发明内容

本发明要解决技术问题是提供一种基于压差法快速CVI【即化学气相渗透】涂层的炭 纸性能改善方法和装置，采用本发明方法能显著改善炭纸材料的力学和电学性能。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于压差法快速CVI涂层的炭纸性能改善方法【对应第一种实施方式】，其特征 在于，包括以下步骤：

1)制作炭纤维坯体：采用聚丙烯腈基炭纤维做增强材料，用酚醛或环氧树脂做粘接 剂，用干法造纸法使炭纤维成型制备炭纤维坯体，坯体厚度为100～800微米(如300微米)， 面积密度为20～70g/cm³(如50g/cm³)；

2)沉积过程：将上一步骤所得产物堆成垛放入反应炉中，反应炉内压力为1kPa至1 个大气压(如5Kpa)，以甲烷、丙烯或石油液化气为碳源气体，氮气或氩气为稀释气体， 碳源气体的浓度为5％～100％(如50％)，气体流量为0.1～5L/分钟(如3L/分钟)，反应炉 内温度控制在800～1100℃；沉积过程的时间为1～5小时(如2小时)。

第二种实施方式为：在第一种实施方式的基础上，在所述的步骤2)中的沉积过程完 成后，还有加树脂热压过程：用酚醛树脂做粘接剂，经干燥、炭化、石墨化过程，并采用 传统热压法制备炭纸。酚醛树脂的加入量的质量分数为炭纸的20％-70％。

第3中实施方式：在第一种实施方式的基础上，所述的步骤1)和步骤2)之间，还有 加树脂热压过程：用酚醛树脂做粘接剂，经干燥、炭化、石墨化过程，并采用传统热压法 制备炭纸。酚醛树脂的加入量的质量分数为炭纸的20％-70％。