[发明专利]一种炭基复合材料快速定向渗积微观结构调控的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料微观结构调控技术，特别是涉及一种炭基复合材料快速 定向渗积微观结构调控的方法，属于炭基复合材料技术领域。

背景技术

炭基复合材料的结构包括炭纤维的结构、基体炭的结构以及孔隙结构特征。 基体炭的结构和炭纤维的种类在很大程度上决定着炭基复合材料的力学、热物理 性能和摩擦磨损性能。皮尔松(Pierson)等通过深入研究化学气相渗积法沉积在 炭毡上的热解炭结构，根据热解炭在偏光显微镜下显示的消光十字，提出三种典 型结构：各向同性结构(Isotropic，ISO)，几乎没有消光十字；光滑层(Smooth Laminar，SL)具有十分规则的消光十字；粗糙层(Rough Laminar，RL)具有大量 不规则的消光十字。在此基础上，戴尔丰多夫(Diefendorf)等利用消光角 (Extinction Angle，A_e)定量区分热解炭不同类型。ISO(A_e＜4°)，DL(4°≤A_e＜12°)，SL(12°≤A_e＜18°)，RL(A_e≥18°)；他们认为暗层(Dark Laminar，DL) 是介于各向同性结构和光滑层之间的中间结构。

在烃类气体化学气相渗积多孔炭纤维预制体制备炭/炭复合材料的过程中， 热解炭的结构随着原料气的不同、预制体的编织方式、渗积的温度和压力、气体 停留时间和多孔炭纤维预制体的A/V(面积/体积)等制备工艺参数的变化而变 化。然而，即使在同一制备工艺条件下，随着渗积的不断进行，炭纤维表面热解 炭的结构也会不断变化。目前，提高渗积速率是降低炭基复合材料制备成本的主 要途径之一。由于粗糙层热解炭具有好的韧性、力学和热物理性能，渗积均一粗 糙层结构热解炭成为提高炭基复合材料性能的主要目标。但是，采用天然气和氢 气为原料气制备炭基复合材料可以获得结构主要为粗糙层的热解炭，但是在炭纤 维表层容易生成一层很薄的暗层结构热解炭，降低了材料的力学性能，此炭基复 合材料作为飞机刹车摩擦材料时，刹车能量大时力矩和摩擦系数衰减大，不能够 装机试飞，限制了炭基复合材料的应用。如何在快速渗积过程中，获得结构均一 的高织构热解炭对于炭基复合材料的制备具有重要意义。

发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种炭基复合材料快速定向渗积微观结构调 控的方法，它克服了现有技术的不足，在200小时内快速定向渗积获得密度达到 1.70g/cm³～1.80g/cm³的炭基复合材料的同时，实现在渗积过程中不同结构热解炭 生长控制，确定制备均一粗糙层热解炭的最佳工艺，解决目前炭基复合材料快速 制备过程中容易生成暗层或各相同性结构热解炭。

2、技术方案：本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种炭基复合 材料快速定向渗积微观结构调控的方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：以天然气和丙烷为碳源物质，氢气为稀释气体，采用化学气相快速 定向渗积工艺制备炭基复合材料。(此工艺有另一专利申请)

步骤二：在0～50小时内，炭基复合材料快速定向渗积预制体的中心温度为 1060℃～1080℃，渗积压力为2kPa～5kPa，天然气的流量为每千克炭纤维预制体 50g，天然气和丙烷的体积比为7～8∶1，氢气和丙烷的体积比为2～3∶1，将在炭 纤维表面将生长一层粗糙层热解炭界面层。

步骤三：在50～200小时内，炭基复合材料快速定向渗积预制体的中心温度 为1070℃～1150℃，渗积压力为5kPa～10kPa，天然气的流量为每千克炭纤维预 制体50g～100g，天然气和丙烷的体积比为7～9∶1，氢气和丙烷的体积比为1～3∶ 1，将在粗糙层热解炭界面层表面继续生长粗糙层热解炭，达到炭基复合材料内 全部均一结构热解炭的生成。

其中，所述步骤二中，当天然气和丙烷的体积比小于7∶1时，将在炭纤维表 面将生长一层暗层或各相同性层热解炭界面层。

其中，所述步骤三中，当天然气和丙烷的体积比小于7∶1时，将在各相同性 层热解炭界面层上生长光滑层热解炭。

通过调节渗积时间可以控制界面热解炭的厚度，通过控制渗积压力和温度调 节界面热解炭的结构，实现均一结构热解炭的快速生长。