[发明专利]一种全预氧丝预制体制备高性能炭基复合材料的方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种全预氧丝预制体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

目前，制备炭基复合材料的预制体主要的原料为炭纤维和预氧丝。英国 Dunlop公司采用预氧丝针刺薄毡叠层成型技术制备炭基复合材料预制体，经过 等温化学气相渗积后，炭基复合材料的密度达到1.75～1.89g/cm³，材料的力学性 能偏低，但是摩擦磨损性能好。法国Messier-Bugatti采用针刺聚丙烯腈(PAN) 预氧丝的Novoltex织物或针刺炭纤维整体毡预制体成型技术制备炭基复合材料 预制体，经过等温化学气相渗积后，密度达到1.68～1.84g/cm³，和Dunlop公司 制备的炭基复合材料相比，材料力学性能相当，但是摩擦系数偏低，磨损率偏高。 中国航空工业集团总公司514厂采用针刺炭纤维制备炭基复合材料预制体，使用 炭纤维的体积分数高于国外，以丙烯为碳源气体等温化学气相渗积制备炭基复合 材料，密度达到1.70～1.80g/cm³，和国外材料性能相比，力学性能偏高，但摩擦 磨损性能稍微偏差，基本满足航空航天用炭基复合材料的要求。

预氧丝预制体和炭纤维预制体相比，较低预氧丝体积分数的预制体(例如体 积分数为23％)经过化学气相渗积后可以获得比较高炭纤维体积分数预制体(例 如35％)制备的炭基复合材料有更优异的摩擦磨损性能，更加适合做航空飞机用 刹车材料，得到全世界许多炭基复合材料生产单位的青睐。随着近些年，国家在 炭纤维研究上投入的加大，目前国内已可制备性能和T300性能相当的炭纤维， 能够制备性能比较稳定的预氧丝。预氧丝制备预制体可以有效防止Z相针刺时 出现断丝，制备的预制体更加平整，性能更加稳定。由于预氧丝制备的预制体在 气相渗积之前需要碳化，碳化后的预氧丝的性能与炭纤维不同，对渗积工艺提出 了新的要求，本发明针对预氧丝预制体特殊的性能，提出了一种由碳化后的预氧 丝预制体快速定向渗积制备高性能炭基复合材料的方法。廉价的预氧丝预制体成 本和快速的制备工艺必将大幅度降低高性能炭基复合材料的成本。

(三)发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种全预氧丝预制体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炭纤维制备预制体的限 制，提供一种适合预氧丝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小时内快速定向渗积制备得到密度达到1.70～1.80g/cm³高性能炭基复 合材料，制备周期短，预制体制备成本低，大幅度降低了高性能炭基复合材料制 备成本。

2、技术方案：本发明一种全预氧丝预制体制备高性能炭基复合材料的方法， 其快速定向渗积炉如图1所示，实施过程主要包括下列步骤：

步骤一：碳化后的预氧丝预制体放入快速定向渗积炉内，各盘预氧丝预制体 之间垫入等厚的石墨垫片；

步骤二：炉体抽真空至-0.1MPa，通入高纯氮气，气体从炉底通入，炉顶 流出，自由升温至1000℃，然后100～200℃/h程序升温至1800℃；

步骤三：在氮气保护下自由降温到设定温度；

步骤四：停止通入氮气，快速定向渗积炉炉体抽真空至-0.1MPa，电加热 石墨套筒对炉体进行恒温控制；

步骤五：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预制体总重量调整；该快速定向渗积炉内 的压力为2kPa～10kPa；

步骤六：预制体的渗积过程从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1.70g/cm³～1.80g/cm³；

步骤七：炉体抽真空自由降温至室温。

其中，步骤一中所述炭基复合材料预制体的预氧丝体积分数为22％～27％；

其中，步骤一中所述的等厚的石墨垫片，其厚度为1.5mm～5mm，该石墨垫 片安放在预制体外缘，等距离放置；

其中，步骤一中所述碳化后的预氧丝预制体放入快速定向渗积炉内，一次可 安放预氧丝预制体30盘～50盘；

其中，步骤二中所述通入高纯氮气，其氮气的纯度大于99.9％；氮气的流量 为100～200L/h；