[发明专利]一种高强度轻质碳纤维复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种炭材料的制备方法，特别涉及一种炭纤维复合材料的制备方法。

背景技术

碳/碳(C/C)复合材料是由碳纤维与碳基体组成的无机非金属基复合材料，其模量 高、强度大、耐磨损、耐腐蚀、吸振性好，特别是具有优异的热稳定性和耐热冲击性 能，在高温下力学强度损失小。自60年代开发以来，已经成为世界高技术领域重点 研究和开发的一种新型材料。在航空航天领域具有重要的应用价值，如用于飞机刹车 片、再入飞行器的热屏蔽材料、火箭鼻锥、发动机喷管、推力室和燃烧室内衬等。

根据复合材料致密化工艺所采用的基体前驱体的类型，碳/碳复合材料的制作工艺 主要有两种方法：一种是化学气相沉积(CVD)法，它是以烃类气体(CH4、C2H4、天然 气等)为基体前驱体，这些气体在高温下产生热解反应后C以原子或液滴的形式沉积 在预制体表面或渗积预制体内部的空隙中，这种方法能够得到较好性能、较高密度的 碳/碳复合材料，缺点是设备复杂、制作周期长、材料利用率低(只有3％左右)、成本 高。另一种方法叫做液相浸渍-碳化法，它是以热塑性沥青或热固性树脂为基体前驱体， 这些原料在高温下发生一系列复杂化学变化而转化为基体碳。这种方法所用原料低 廉，设备简单、制作周期短，因而受到了世界范围内许多科技工作者的重视，成为碳 /碳复合材料研究的一个热点。引入催化剂对热固性树脂炭进行催化石墨化，是提高酚醛树脂炭石墨化度的一种有效方法。李崇俊等报道向树脂炭微粉中加入单质硼作为催化剂，在石墨化温度为2100℃、催化剂硼用量小于5.0wt％工艺条件下，树脂炭基炭/炭复合材料的石墨化度达到了82％，而无催化剂的炭/炭复合材料在2500℃下石墨化度才达到71％。这表明硼在降低石墨化温度和提高石墨化度方面均有明显作用。同时目前并没有完整的采用液相浸渍-炭化方法制备高强度轻质碳/碳复合材料的制备方法的相关研究。

发明内容

本发明旨在克服现有技术不足，目的是提供一种制备工艺简单和重复性好的高导热高强度轻质炭纤维树脂基复合材料的制备方法，用该方法制备高强度轻质碳/碳复合材料不仅高定向高导热，且沿纤维长度方向的力学性能得到明显改善，且具备轻质的优点。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种高强度轻质碳纤维复合材料的制备方法，包括以下五个步骤：

(1) 在连续长丝碳纤维表面涂布上浆剂，然后在氮气保护下于800-1200℃热解，以除去碳纤维表面的含氧官能团，暴露出碳纤维裸体表面，然后将预处理后的连续长丝碳纤维缠绕制成具有高度取向的圆锥体C/C复合材料的预成型胚体，采用该碳纤维的预成型胚体作为增强骨架；其中，所述碳纤维的预成型胚体的体密度在1.0g/cm³以下；所述上浆剂由以重量份计10-13份的聚苯基喹噁啉PPQ、20-28份硼改性酚醛树脂和50-63份的环氧树脂乳化液组成；

按照预成型胚体：碳化硅粉末：云母粉：膨润土=2:1:0.8:1的质量比，分别称取预成型胚体、粒度为10微米的碳化硅粉末、云母粉、膨润土，将各原料混合球磨，在球磨的同时加入适量的水，球磨2h后得到碳纤维混合料；

(2) 将步骤（1）得到的碳纤维混合料真空浸渍以硼酚醛树脂为溶质，无水乙醇为溶剂，配制成质量分数为50％的硼酚醛树脂-无水乙醇溶液，随后向该硼酚醛树脂-无水乙醇溶液中加入质量百分比为0.5％～2％的NbCl₅粉末，充分溶解后获得含有NbCl₅的浸渍剂溶液；所述真空浸渍温度可以为200-250℃；

(3) 将经过步骤（2）处理得到的预浸料在氮气保护下进行加压炭化，再浸渍经步骤二配制的含有NbCl₅的浸渍剂溶液填充空隙，之后进行化学气相沉积CVD，重复步骤（3）5-10个周期后使其致密化；其中，所述炭化的温度是650-900℃；所述加压压力为10-13MPa；

(4) 将步骤（3）制备得到的产物进行石墨化，再浸渍，再CVD，使其进一步致密化；所述步骤（4）中CVD工艺是把被沉积的预成型体放在均热空间的CVD炉中，烃类气体在均热的多孔预成型体中发生热解沉碳，使副产物气体扩散出来；其中，石墨化处理在3000-3500℃下进行，石墨化内炉膛炉内压力在20MPa以下；