[发明专利]一种高导热沥青基炭纤维复合材料预制体的制作方法

说明书

本发明公开了一种高导热沥青基炭纤维复合材料预制体的制作方法，采用预氧化或低温炭化状态的高导热沥青基炭纤维连续层与不同温度处理状态的粘胶基或聚丙烯腈基或各向同性沥青基或高导热沥青基短炭纤维网胎交替叠层，在连续层与网胎层的轴向经针刺工艺引入Z向增强纤维，Z向纤维的引入打通了Z向导热通路，也更易于热量在Z方向的疏通和传导，针刺密度控制在10～50针/cm²，制成体积密度为0.25～0.75g/cm³的准三向结构预制体毛坯，并将该预制体毛坯进行炭化及石墨化处理。本发明可成型大直径高导热沥青基炭纤维异型坯体，成型尺寸及外形不受限制，易于制备高导热沥青基炭纤维复合材料，适合批量工业化生产。

技术领域

本发明属于军用飞行器热管理系统中高导热耐烧蚀炭/炭、炭/陶及相关复合材料的预制体材料制备技术领域，具体涉及一种高导热沥青基炭纤维针刺准三向整体结构预制体的制作方法。

背景技术

导热率(λ)可以用Debye公式表示为：λ＝1/3C·V·L，式中C 为单位体积的热容，V为声子的传播速度，L为声子的平均自由程。对于具有较完整石墨结构的炭(石墨)材料来说，其室温热传导速率主要由声子的平均自由程L来决定，L与石墨微晶平面尺寸La有关，La越大，L越大，λ越高。袁观明在《高导热炭材料的制备研究》中提到高导热沥青基炭纤维直径的增大，有利于石墨微晶的充分生长和取向，即有利于导热率的提高。因此，高导热沥青基炭纤维的模量高(可达965GPa)、直径大(可达100μm，甚至毫米级)，表现出性脆及难以编织的特点。

针对预氧化、炭化、石墨化状态的粘胶基、聚丙烯腈基、各向同性沥青基炭纤维预制体制作方法，针刺成型技术比较成熟，但在高导热沥青基炭纤维复合材料的针刺预制体领域，未见有专利及文献报道。归其原因为高导热沥青基炭纤维直径大、模量高、性脆、易断，难以编织成型所致，限制了高导热沥青基炭纤维复合材料尤其是异型部件在某些关键部件的应用和军用飞行器整体性能的提升。

中国发明专利201110307428.7、201310044981.5、 201410139215.1均公开了一种高导热沥青基炭纤维复合材料的制备方法，采用单层无纬布预制体叠层热压而成。但存在以下不足：首先，在成型异型部件时，受模具及热压条件限制，难以成型甚至无法成型；再者，对压力及加压时机把握要求较高，如控制不好，会出现纤维滑移、分层等缺陷。冯志海在《高导热碳/碳复合材料的制备》一文中提到了利用单向高导热沥青基炭纤维硬编成三维编织体，该种方法具有编织技术及成本过高、尺寸受限、异型件无法编织等缺点。

综合分析，现有针对高导热沥青基炭纤维复合材料预制体的成型方法中，为考虑收缩率小，原材料的编织均采用石墨化成品纤维进行，成型难度大甚至无法成型，不适合批量工业化生产，无法实现型号应用，严重阻碍了军用飞行器整体水平的提升。

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，提供一种高导热沥青基炭纤维复合材料针刺准三向预制体的制作方法。该方法的特点是将高导热沥青基连续炭纤维作为连续炭纤维层(连续层)，短炭纤维网胎作为针刺牺牲层(网胎层)。针刺过程时，充分发挥网胎层较连续层纤维柔软的特点，网胎纤维更易被针带入Z向，形成准三向整体结构预制体，且不受形状尺寸限制，质量易于把控，适合批量工业化生产及型号应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

(1)先将炭纤维切成短炭纤维，再将短炭纤维梳理成短炭纤维网胎(网胎层)，网胎层与高导热连续沥青基炭纤维(连续层)交替叠层，连续层与网胎层的重量百分比为：高导热连续沥青基炭纤维60～95％，短炭纤维网胎5～40％；连续层的厚度为0.2～1.0mm，网胎层的厚度为 0.05～0.5mm；

(2)将连续层各层间以0°/0°或0°/90°或0°/±60°夹角交错进行铺层，具体角度依据复合材料结构和导热方向要求设计；