[发明专利]一种C/C复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种C/C复合材料及其制备方法，属于材料制备技术领域，适合制备摩擦磨损材料和密封材料，包括以下步骤：1)预制体的制备；2)脱胶处理；3)水基石墨浆料的制备；4)石墨浆料注射；5)石墨浆料补注；6)素坯的制备；7)碳化处理；8)增密处理：依次采用化学气相渗透工艺和高温热压工艺对C/C多孔预制体进行增密处理，得到摩擦磨损性能优良的C/C复合材料，本发明采用浆料注射的方法，在不破坏碳纤维预制体的结构和结合强度的情况下，均匀引入石墨粉，本发明制备C/C复合材料可应用于大型飞机刹车、高速列车、汽车、大型卡车等摩擦磨损材料，也可应用于航天飞行器与精密仪器的密封材料，特别适用于真空、惰性气体或还原气体环境下高温密封材料。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种C/C复合材料及其制备方法。

背景技术

C/C复合材料是以碳纤维增强碳基体的复合材料，其整个体系均由碳元素组成，兼有碳材料和纤维增强复合材料的优势。C/C复合材料不仅具备密度小、比模量高，比强度高等突出的结构材料性能，而且具备优异的热物理性能以及摩擦磨损性能，能够很好的满足航空航天工业对材料在高温高速条件下的综合性能要求，是摩擦材料的首选。同时，C/C复合材料膨胀系数低、摩擦系数低，自润滑性能、高温及低温稳定性能优异等特点也使其成为常用的密封材料。但是由于C/C复合材料的制备周期长、制造工艺复杂、技术难度大等问题成本一直居高不下，极大限制了C/C复合材料的应用范围和用量。目前C/C复合材料制成的产品大约有60％用于航天刹车系统。

目前C/C复合材料的主要的制备技术包括：化学气相渗透工艺(CVI)和液相浸渍热解工艺。目前，CVI工艺是制备高性能C/C复合材料的首选途径，CVI工艺不仅能得到密度较大的产品，实现碳基体与纤维预制体的有机结合，还可以控制碳基体的内部结构。例如飞机刹车片就需要粗糙层热解碳(PyC)结构，以达到优异的摩擦磨损性能和长寿命。但通常普通的CVI工艺制备高密度C/C复合材料需要几百甚至上千小时，特别是对于厚壁材料(30mm以上)制品，生产难度极大，导致摩擦材料表面到内部的密度和摩擦性能往往不同，影响摩擦副的摩擦性能一致性与交通安全。

中国专利CN 106966751A公布了一种高性能低成本C/C-SiC复合材料制动盘及其制备方法与应用。该方法将采用化学气相沉积法将碳化后的制动盘预制体致密化；然后再进行热处理来提高复合材料的石墨化度；后续再利用熔融渗硅法处理，再反复利用化学气相渗积法或先驱体浸渍裂解法对C/C-SiC复合材料制动盘进行处理最终得复合材料制动盘成品。虽然该发明制得了力学性能、导热性能和摩擦磨损性能较好的复合材料，但是并没有解决C/C复合材料工艺复杂，生产周期长的问题。

中国专利CN 104844246A公开了一种汽车制动盘用Cf/SiC复合材料及其制备方法。该方法用树脂浸渍过的纤维编织成三维预制体基体，再经浸渍热解后得到多孔材料，再经渗硅处理，得到复合材料。但该方法无法解决材料中摩擦组元和润滑组元均匀分布的问题，并且材料内部组织结构不可控。

中国专利CN 105924199A公开了一种低成本碳/碳复合材料的制备方法，该方法通过真空-加压浸渍方式向碳纤维束间填充碳颗粒，变大孔为微孔后，再通过反复低压液相浸渍碳化或化学气相渗透，联合高温热处理获得高密度碳/碳复合材料。但该方法仍无法解决材料中心内部难以致密化导致的材料不均的问题，且这种方法还是利用长时间的CVI和反复浸渍碳化来制备C/C复合材料，耗时在几百小时左右，并没有从根本上解决制备过程中周期长的问题，而且由于设备的原因，通常也不能制备较大的部件。

中国专利CN 105016759A公开了一种C/SiC复合材料的制备方法，该方法利用CVI工艺在薄层碳纤维预制体表面沉积热解碳，然后经聚碳硅烷混合溶液反复浸渍、裂解，最后层叠后进行放电等离子烧结得到致密的C/SiC复合材料。该方法虽然在放电等离子烧结前利用CVI和反复浸渍、裂解在纤维表面引入了碳元素，但碳元素仅限于在薄层碳纤维表面存在，需要后续层叠处理以达到要求厚度，层间结合问题无疑大大降低了材料的强度和性能可靠性。