[发明专利]国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法，特别 是涉及一种国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法，属于炭基 复合材料快速制备技术领域。

(二)背景技术

炭纤维增强炭基复合材料自1958年在美国CHANCE VOUGHT实验室偶然 诞生以来就受到广泛的关注，特别是作为耐高温和耐磨损材料已广泛应用于航 空、航天等领域。炭基复合材料具有结构和功能双重优点，能够满足其作为航空 刹车副的各项要求，自1973年第一次用于飞机刹车以来，全世界已有40种以上 的民用飞机和22种以上的军用飞机采用了碳刹车盘。化学气相渗透和液相浸渍 工艺是制备炭基复合材料的主要方法。传统的等温等压化学气相渗积(chemical vapor infiltration，CVI)工艺具有工艺参数容易控制，能成型复杂几何形状制品 等优点，而广泛应用工业化生产，但坯体在致密化过程中容易表面结壳阻碍沉积， 需要多次中断沉积进行机械加工除去表面壳层，因而致密化周期长(600～2000h)。 树脂、沥青液相浸渍工艺通常在常压或者减压下进行，依靠增加浸渍-炭化-石 墨化循环次数致密制品，容易制得致密、尺寸稳定的制品，但是工艺效率低且液 体难以浸渍到坯体的微孔中去，制品易产生微裂纹和分层等缺陷。对此发展了高 压浸渍工艺，但所使用的压力都在2MPa以上，工艺复杂，对设备要求高，导致 材料成本上升。目前，国内生产炭基复合材料采用的炭纤维主要从日本东丽公司 和日本东邦公司购买。随着我国炭纤维工业生产技术日渐成熟，国产炭纤维批量 生产问题已逐渐解决，山东威海光威集团生产的CCF型号炭纤维密度达到 1.77g/cm³，拉伸强度达到3.95GPa，模量达到227GPa，断裂伸长率达到1.84％， 炭纤维性能和日本东丽公司生产T300系列炭纤维性能相当。但目前针对由我国 国产炭纤维制备炭基复合材料的研究很少，国产炭纤维预制体快速定向渗积过程 中许多关键技术问题还没有解决。

(三)发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复 合材料的方法，特别是提供一种国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材 料的方法，它突破国内炭基复合材料制备过程中主要使用日本产炭纤维限制，提 供一种适合国产炭纤维增强高性能炭基复合材料的化学气相渗积快速制备技术 工艺，200小时内快速制备得到密度达到1.70～1.80g/cm³高性能炭基复合材料， 它缩短了制备周期，提高了热解炭前躯体利用率，大幅度降低了高性能炭基复合 材料制备成本。

2、技术方案：本发明一种国产炭纤维快速定向渗积制备高性能炭基复合材 料的方法，其化学气相渗积设备如图1所示，对国产炭纤维的实施过程主要包括 下列步骤：

步骤一：将炭纤维预制体放入硝酸中80℃氧化处理2小时；

步骤二：将炭纤维预制体放入快速定向渗积炉内，各炭纤维预制体之间垫入 等厚的石墨垫片；

步骤三：快速定向渗积炉炉体抽真空，电加热石墨套筒和炭纤维预制体；

步骤四：通入碳源气体和稀释气体，气体混合有一定的体积比，气体从炉底 通入，炉顶抽出，其流量根据装入炉内炭纤维预制体总重量调整，渗积炉内的压 力为2kPa～10kPa；；

步骤五：炭纤维预制体的渗积过程从炭纤维预制体内部向外表面逐渐推进， 经过120～200小时一次性渗积，即可制得高性能炭基复合材料，密度达到1.70 g/cm³～1.80g/cm³。

其中，所述步骤一中硝酸为浓度为67％～70％的工业硝酸；

其中，所述步骤二中的石墨垫片的厚度为1.5mm～5mm，垫片安放在炭纤维 预制体外缘，等距离放置；

其中，所述步骤二中一次可安放炭纤维预制体30盘～50盘；

其中，所述步骤二中炭纤维的初始密度为0.4g/cm³～0.6g/cm³；

其中，所述步骤三中电加热时，控制炭纤维预制体外围温度达到 1100℃～1150℃，石墨套筒中心温度达到1050℃～1100℃；

其中，所述步骤三中渗积炉炉体抽真空至-0.1MPa；

其中，所述步骤四中选用的碳源气体为天然气和丙烷混合气，稀释气体为氢 气；