[发明专利]提高碳/碳复合材料厚板增密密度及密度均匀性的方法

说明书

本发明公开了一种提高碳/碳复合材料厚板增密密度及密度均匀性的方法，先在碳纤维预制体厚度方向均匀设置贯穿其厚度的通孔后进行学气相沉积增密，所示通孔直径≤2mm，任意一个通孔与其周边相邻的通孔之间的距离相同；所述碳纤维预制体厚度为15～35mm，密度为0.2～0.8g/cm³，本发明创新性地通过激光打孔方法在碳纤维预制体中构建位于等边三角形平面网格顶点、排布均匀的碳源气体通道，有效改善碳纤维预制体的透气性，使碳源气体能够远程送达预制体芯部，解决碳/碳复合材料厚板厚度方向均匀增密的难题，碳/碳复合材料表观密度达到1.8g/cm³以上；本发明适用于多种碳纤维预制体编织结构，包括碳纤维针刺预制体和细编穿刺预制体。

技术领域

本发明公开了一种提高碳/碳复合材料厚板增密密度及密度均匀性的方法；属于碳/碳复合材料制备技术领域。

背景技术

碳/碳复合材料是一种以碳纤维增强碳基体的先进复合材料，具有质量轻、比强度高、热膨胀系数低、尺寸稳定性好、耐腐蚀等优异性能，特别是具有优异的摩擦磨损性能，在航空、航天、热加工等领域具有广阔的应用前景。

化学气相沉积是制备碳/碳复合材料的重要方法，该方法制备的复合材料具有连续热解碳基体结构，可赋予复合材料高的力学性能和摩擦磨损性能，是获得高性能碳/碳复合材料，如航空刹车材料的首选途径。但现有化学气相沉积工艺对碳纤维预制体的增密过程是一种非均匀增密过程，体现在表面比芯部增密速度快，复合材料产生由表及里密度梯度。特别是对于碳/碳复合材料厚板(厚度大于等于15mm)，当碳纤维预制体增密到一定程度(如表观密度达1.6g/cm³)时，复合材料表面密度达到1.85g/cm³以上，形成表面封孔，阻碍碳源气体通过表面向芯部的渗透，影响增密效率，难以获得高表观密度的碳/碳复合材料。

因此，如何提高碳/碳复合材料厚板增密表观密度及改善其密度的均匀性，一直以来都是碳/碳复合材料制备技术领域的技术难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种提高碳/碳复合材料厚板增密密度及密度均匀性的方法，用于制备厚度大于等于20mm的碳/碳复合材料厚板，特别是圆盘状碳/碳复合材料厚板。

本发明通过激光打孔方法在碳纤维预制体中构建碳源气体通道，改善碳纤维预制体的透气性，使碳源气体能够远程送达预制体芯部，有效解决了碳/碳复合材料厚板(含圆盘状碳/碳复合材料厚板)沿厚度方向的均匀增密难题，制备出高表观密度的碳/碳复合材料。

为了实现上述目的，本发明提高碳/碳复合材料厚板增密密度及密度均匀性的方法，采用如下技术方案实现：

先在碳纤维预制体厚度方向均匀设置贯穿其厚度的通孔后进行学气相沉积增密，所示通孔直径≤2mm，任意一个通孔与其周边相邻的通孔之间的距离相同。

本发明提高碳/碳复合材料厚板增密密度及密度均匀性的方法，所述碳纤维预制体是厚板，厚度为15～35mm，密度为0.2～0.8g/cm³。

本发明提高碳/碳复合材料厚板增密密度及密度均匀性的方法，所述通孔的直径为0.1～2mm。

本发明提高碳/碳复合材料厚板增密密度及密度均匀性的方法，所述通孔均匀分布在碳纤维预制体上，任意相邻的三个通孔中心点之间的连线构成一个等边三角形；所述等边三角形的边长为5～15mm。

本发明提高碳/碳复合材料厚板增密密度及密度均匀性的方法，所述通孔的轴线垂直于预制体的上表面或下表面。

本发明提高碳/碳复合材料厚板增密密度及密度均匀性的方法，所述通孔采用激光打孔；所述激光打孔的工艺为：采用功率为20～40W的脉冲激光，脉冲激光频率为125～150Hz，脉冲宽度为250～450μs。