[发明专利]一种外置生物质催化剂的热解碳制备用化学气相渗透方法

说明书

本发明涉及一种外置生物质催化剂的热解碳制备用化学气相渗透方法，在碳纤维预制体外部引入生物质催化剂，催化沉积气体分解再利用，沉积气体分解、聚合、加聚过程加快，单位时间气体分解产物浓度提高，热解碳初始沉积效率较无催化时提高近4倍。且一维碳材料在外部催化剂中生成，确保热解碳沉积通道的通畅。沉积空间气体组分发生变化，催化C/C复合材料的基体碳石墨化度提高近40％。本发明制备方法操作简单，催化剂成本低廉、有望回收利用，具有很好的社会效益与经济效益。

技术领域

本发明属于超高温结构材料制备领域，涉及一种外置生物质催化剂的热解碳制备用化学气相渗透方法，主要用于C/C复合材料的制备。本发明通过引入生物质催化剂实现对碳源气体的催化分解再利用，提高热解碳沉积效率。

背景技术

C/C复合材料是指以碳纤维或其织物为增强相，以化学气相渗透热解碳或液相浸渍-碳化的树脂碳、沥青碳为基体组成的一种纯碳多相结构。C/C复合材料兼具碳素材料与纤维增强材料的特性，在航空航天、国防军事等诸多高技术领域具有不可替代的优势。化学气相渗透(CVI)工艺是制备C/C复合材料主要方法，该工艺是在化学气相沉积炉高温真空或保护气氛中，将碳源气体(低分子碳氢化合物)扩散到多孔碳纤维预制体孔隙内，碳源气体在高温下分解生成热解碳并沉积于预制体中，从而获得致密的C/C复合材料。CVI工艺过程简单、制备得到的复合材料纯度和微观结构均优于其他工艺，但缺点是制备周期长，生产效率低，为进一步降低C/C复合材料的制备成本，需要提高C/C复合材料制备过程热解碳沉积效率。

催化化学气相渗透(CCVI)技术是在传统CVI法的基础上，利用活性金属催化剂提高反应物转化率和反应速度的一种方法。文献1“Ni-Catalyzed carbon infiltration ofcarbon-fiber substrates,P.McAllister,E.E.Wolf.Carbon,1992,30(2):189-200”证实CCVI工艺会在碳纤维预制体内部催化生长一维碳材料，一维碳材料会造成孔隙堵塞，影响沉积速率。文献2“Densification kinetics and matrix microstructure of carbonfiber/carbon nanofiber/pyrocarbon composites prepared by electrophoresis andthermal gradient chemical vapor infiltration,Jinsong Li,Ruiying Luo,YingYan.Carbon,2010,49(1)”指出将碳纳米纤维引入碳纤维预制体内部会改变预制体内部孔径大小与分布，从而影响热解碳沉积。因此，CCVI工艺可提高沉积效率，但存在催化生长一维碳材料堵塞沉积通道的问题。文献3“A High-Performance,Low-Tortuosity Wood-Carbon Monolith Reactor,Advanced Materials,Yangang Wang,Guanwu.Sun,Jiaqi.Dai.2017,29(2):1604257”报道了负载Ni的3D碳化原木即3D Ni/Wood Carbon(3DNi/WC)催化剂，保留了树木的天然微米级孔道，为气体分解与催化提供了良好反应场所，催化剂活性与稳定性好。本发明在碳纤维预制体的外部引入生物质催化剂，催化碳源气体分解再利用，避免一维碳材料在预制体内的沉积和沉积通道的堵塞，确保热解碳沉积通道的通畅，提高热解碳沉积效率，该研究对于降低C/C复合材料制造成本具有明显实用价值。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种外置生物质催化剂的热解碳制备用化学气相渗透方法，该方法将生物质催化剂置于预制体外部，催化碳源气体分解再利用，提高热解碳沉积效率。本发明制备方法操作简单、催化剂成本低廉、沉积效率提高明显，具有良好的经济及社会效益。

技术方案

一种外置生物质催化剂的热解碳制备用化学气相渗透方法，其特征在于步骤如下：