[发明专利]一种快速填充碳/碳复合材料内部孔隙的树脂等压液相浸渍致密化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种快速填充碳/碳复合材料内部孔隙的树脂等压液相浸渍（PIP）致密化方法，属于复合材料致密化处理技术领域，

背景技术

碳纤维增强碳基复合材料（简称碳/碳，C/C）是以碳或石墨纤维为增强体，碳或石墨为基体复合而成的材料。它具有耐高温、导热性好、抗热冲击、烧蚀率低、高温下高强度、一定的化学惰性等特殊性能，是理想的高温结构、高温摩擦、高温导电发热以及抗烧蚀材料。近年来，随着碳纤维原材料及生产制造成本的降低，C/C复合材料的应用正在由航空航天领域逐渐进入工业领域，广泛取代其它材料。高科技产业的需求使它在工业领域的应用迅速发展，已广泛应用于半导体工业、冶金、化工、原子能工业和生物工程等领域。

C/C致密化工艺过程就是基体碳形成过程，是用高质量的碳填满纤维周围空隙，以获得结构、性能优良的C/C复合材料。常用的有两种工艺：化学气相沉积（简称CVD工艺）和液相浸渍法（简称PIP工艺）。用化学气相沉积法形成碳基体的先驱体有甲烷、丙烯、天然气等；用于液相浸渍的物质有热固性树脂，酚醛树脂、糠醛树脂等，及热塑性沥青，如煤沥青、石油沥青。在这些致密化方法，由于CVD工艺成本高，沥青浸渍工艺需要高压设备才能完成致密化，树脂浸渍工艺目前已成为大批量低成本制备C/C复合材料异型构件的主要工艺。特别是，由于树脂杂质少，树脂浸渍工艺用于半导体冶炼坩埚，具有耐高温、化学性质稳定、不污染高纯半导体物料等突出优点。但是，现有的树脂浸渍技术存在致密化效率较低、制备周期较长的不足，导致制造成本居高不下，较高的制造成本限制了碳／碳复合材料推广应用，特别是直接阻碍了碳／碳复合材料坩埚在单晶硅拉制、多晶硅提纯熔炼和铸锭等半导体工业场合的大规模应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种工艺简单、周期短、成本较低的快速填充碳/碳复合材料内部孔隙的树脂等压液相浸渍致密化方法。

术语说明：

碳纤维预制体，是按构件形状成型的碳纤维立体织物预制体。包括但不限于坩埚，圆盘状构件，环形构件等。体积密度一般在0.25～0.85g/cm³。

碳/碳复合材料，是在碳纤维立体织物预制体孔隙中采用液相浸渍工艺（即PIP工艺）填充碳基体而得的碳纤维增强碳基复合材料。

低密度碳／碳复合材料坯体，是指碳纤维预制体经过初次致密化过程后，密度有所提高，但还需要再次或多次重复进行致密化的中间胚。体积密度≤1.45g/cm³。

树脂PIP工艺，是将热固性树脂渗入碳纤维立体织物预制体或者低密度碳／碳复合材料坯体中，然后升温固化、碳化，原位获得碳基体，填充坯体内部孔隙，反复进行树脂浸渍和炭化，不断减少空隙，最终完成碳/碳复合材料致密化。

本发明的技术方案如下：

一种快速填充碳/碳复合材料内部孔隙的树脂等压液相浸渍致密化方法，包括采用带浸渍液等压回收装置的真空热压罐，所述等压回收装置是一个设在真空热压罐外的承压回收罐，通过管道和阀门与真空热压罐内置的浸渍筒底部连通，并通过承压通气管与真空热压罐连通，真空热压罐与承压回收罐保持气通等压；步骤如下：

（1）真空浸渍：

将碳纤维预制体或低密度碳／碳复合材料坯体（即工件）置于真空热压罐内的浸渍筒中，升温抽真空，当温度达到20～120℃，真空度为500～6000Pa条件下，保温10～120min，然后，加入预热20～150℃的浸渍液浸没碳纤维预制体或低密度碳／碳复合材料坯体；然后，

（2）气压渗透：

充入氮气至压力0.4～5.0MPa，挤压浸渍液向碳纤维预制体或低密度碳／碳复合材料坯体内部渗透，气压保温10～120min；

（3）等压回收：

在温度20～120℃、气压0.4～5.0MPa条件下，打开真空热压罐至承压回收罐之间的阀门，回收碳纤维预制体或低密度碳／碳复合材料坯体外多余的浸渍液；

（4）气压固化：

在气压0.4～5.0MPa条件下，升温至80～250℃，气压0.4～5.0MPa条件下保温10～120min，使渗入碳纤维预制体或低密度碳／碳复合材料坯体内部的浸渍液完全固化；

（5）常压炭化：