[发明专利]高密度全气相热解炭基炭/炭复合材料的快速致密化方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种高密度全气相热解炭基炭/炭复合材料的快速致密化方法，属于炭/炭复合材料制备技术领域。

背景技术

炭/炭(C/C)复合材料，即碳纤维增强炭基体复合材料，是一种集结构和功能于一体的先进复合材料。它具有高比强度、高比模量、低密度、优异的摩擦磨损性能，以及良好的抗热震性、耐烧蚀性、化学稳定性和尺寸稳定性等。自诞生以来，已在航空、航天和武器装备领域发挥了极其重要的作用。到目前为止，C/C复合航空刹车材料仍然占据C/C复合材料最大的市场份额。C/C复合材料的制备方法主要有液相浸渍法与化学气相渗透(CVI)两大类，其中化学气相渗透是高性能C/C复合材料致密化的首选工艺，但同时也是C/C材料制备过程中耗时最长、成本最高的环节。因此，实现快速CVI成了CVI技术研究的热点。C/C复合材料快速CVI增密技术的核心在于提高增密速率和控制沉积碳的结构。采用CVI工艺得到的沉积碳(又称热解碳)可分为粗糙层状(RL)、光滑层状(SL)以及各向同性(ISO)等三种基体结构类型。其中以RL结构热解碳最致密(2.1～2.2g/m³)、微晶排列取向度最高、最易石墨化、导热性最好，是制备高密度、高强度和高热导率碳/碳复合材料最理想的一种基体碳结构类型。正因为如此，RL结构热解炭也是高性能C/C复合航空刹车材料基体炭的首选。可是，当以甲烷、丙烯或者丙烷等小分子直链烃为碳源采用CVI工艺制备C/C复合材料时，要得到粗糙层热解炭，往往要求热解反应在较高的温度下进行。这一方面可加快反应速率和沉积速率，但另一方面，更容易造成多孔坯体表层封孔和表面结壳，从而使坯体的有效增密过早地终止，这一现象对于大尺寸厚壁件尤为明显。因此，尽管国内外学者相继提出和研究了各种快速CVI工艺，但是，没有哪一种CVI工艺能完全避免表层封孔和表面结壳。对于炭纤维预制体，在CVI初期，由于孔隙度大，即便是传统的均温式CVI工艺，沉积速率也比较快。当坯体密度达到1.65～1.70g/cm³以后，坯体开孔孔隙度大大降低，且由于表层封孔的缘故，孔隙形状大多变成内宽外窄的瓶颈状。因此，要靠CVI工艺继续增密将变得越来越费时低效，即便是此时机加工去掉表层继续CVI增密，也是收效甚微。由此可见，仅靠CVI增密工艺，难以制备高密度(d＞1.80g/cm³)的大尺寸全热解炭基C/C复合材料。为了制备高密度C/C复合材料，一般先将炭纤维预制体CVI增密至1.65g/cm³左右，然后采用液相(沥青或树脂)浸渍辅助增密。在液相浸渍辅助增密过程中，受前驱体产炭率的限制，要将密度为1.65g/cm³左右的C/C材料增密到1.80g/cm³以上，通常需要2个以上的浸渍-炭化周期，而且还要进行中间石墨化和机加工处理。因此，采用液相浸渍辅助增密，虽然比较容易获得高密度的C/C材料，但仍然存在长时低效的不足。更为重要的一点是，后续增密的沥青炭或树脂炭与CVI热解炭在微观结构和显微硬度上呈现出明显的差异。这种差异的存在直接影响到C/C材料在摩擦制动过程中摩擦表面固体自润滑膜的致密度与均匀性，从而降低C/C材料的耐磨性。因此，获得高密度全CVI热解炭基C/C材料是制备高性能长寿命C/C航空刹车副的必经之路。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种工艺方法简单、操作方便、在全气相热解炭基C/C复合材料的基础上通过高温热压使C/C复合材料快速致密的高密度全气相热解炭基炭/炭复合材料的快速致密化方法。

本发明高密度全气相热解炭基炭/炭复合材料的快速致密化方法，包括下述步骤：

第一步：将2D型或准3D型预制体经常规CVI增密到1.50～1.70g/cm³，得到以全粗糙层结构热解炭为基体炭的碳/碳复合材料；

第二步：将第一步所得碳/碳工件加热至2300℃～2700℃，然后逐步加压至30～50MPa，控制压制方向的应变小于等于8％，保压5～10分钟后逐步卸载；并使碳/碳工件随炉冷却，即制得密度大于等于1.80g/cm³炭/炭复合材料。

本发明第一步中，所述碳/碳复合材料经过机加工成中心带圆柱形通孔或不带孔的圆盘形工件。

本发明第二步中，所述加压速率为60～100MPa/h，卸载速率为30～40MPa/h。

本发明中，所述2D型预制体是由预浸布叠层构成的炭纤维预制体。