[其他]碳-碳复合材料的模塑方法

说明书

本发明涉及的技术领域是碳-碳复合材料的模塑方法。

碳-碳复合材料是从有机母体纤维，如聚丙烯腈、人造丝或沥青为起始材料制造的。这些纤维通常是通过挤出的方法，呈束状（粗纱或长丝）制造的。把母体纤维放在惰性气体中加热，使之发生热裂解或碳化，然后可把它们加热至更高的温度（比如高于4000°F即2204℃）以形成石墨纤维。然后可把这些碳或石墨材料铺叠、编织或交织成用1D，2D，3D，……nD等结构表示的形式，这里D表示方向，n表示方向数〔即在2D结构中，纤维被铺放成两个（通常为正交）方向〕。

然后可以把这些编织结构切成希望的长度和宽度以构成复合材料的制件（比如气体透平发动机元件、飞机刹车、火箭喷嘴等），然后把它们叠层放入阴模中或模具上进行加工。编织结构物可以交替着与树脂或沥青层叠放，或是最好先用树脂浸渍编织结构物，通常是在压力下浸渍，然后铺叠在模具上或叠层在模具中形成预浸料坯。然后把该材料加热使树脂粘结剂发生固化形成纤维增强的前体复合材料制件。然后让制件热裂解，有时要石墨化。在再次浸渍之后又进行热裂解和石墨化，视需要重复这些步骤可用来增大密度（比如再增密化）。另一种工艺是在进行了初始固化和碳化周期之后，用化学汽相淀积法（CVD）淀积热解的石墨从而增密结构。

在模塑和随后几个步骤中（如固化、后固化和热裂解），本碳-碳复合材料制造方法还可能有一些问题。例如，复合材料中树脂的收缩会引起内应力导致脱层和开裂。

因此，人们一直在探求改善碳-碳复合材料模塑的方法。

本发明针对一种制造高强度碳-碳复合材料的方法。这个方法包括，在压力容器中放置一树脂浸渍碳纤维增强的预浸料坯，而这个容器基本上用固体可流动颗粒状聚合物充填。使预浸料坯受到足够的温度和压力以使预浸料坯固化，形成碳-碳复合材料前体，然后使该前体受到足够的温度与压力进行后固化。后固化好的碳-碳复合材料前体被施加足以使它碳化的温度与压力以成型碳-碳复合材料。

本方法通过使用固体可流动颗粒状聚合物作为压力介质，提供了一个制造具有高强度碳-碳复合材料的简捷方法，使得碳-碳复合材料技术取得明显进步。

从说明书、权利要求以及说明本发明实施例的附图中将清楚地看出上述和其它的目标、特点及优点。

附图表示用控制聚合物压力介质的温度和压力的方法来实施本发明的模塑方法所用设备的剖面透视图。

附图表示了按照本发明的一种方法。由碳纤维或石墨纤维制成预浸渍碳纤维或编织物铺叠料坯（例如可以用编织、单丝缠绕和带缠的方法）。用树脂（例如酚醛树脂）来浸渍铺叠料坯。至少两层（多层）预浸料坯层1叠放起来，置于压力容器3之内（例如用不锈钢或合金钢制造的），在料坯四周充填聚合物介质（介质）6，其中有时可含有一些金属颗粒以增加介质的导热性，这在共同转让共同未决的美国专利申请907943号，题为《加有金属添加剂的固体可流动聚合物介质及用它进行模塑的方法》中已被公开，公开的内容在此列入本专利作为参考。最好是在介质和制品之间有一个隔离层28，用来避免复合材料和介质的污染。这与真空袋不一样，这一层不一定非要气密性的，具有代表性的材料就是普通铝箔。隔离层可以覆在玻璃纤维织物通气层上，这个通气层通过排气孔30与真空管线40相联。这可以用来从制品中除去挥发分。最好两种聚合物介质在一个同轴系统中使用，在这个系统中，另一层隔离层50（例如是铝箔）把靠近复合材料的高温度介质51隔开。通常，少于约5.1Cm（2inh）厚的高温介质就足够了。这使得能更多地使用价格较低的介质。根据需要，介质可以或多或少地与复合材料前体接触。通常，复合材料前体1与介质不接触的表面，靠近模具7放置（例如接触），以赋予（或保持）制品1的特殊形状。加压装置（例如机械活塞）能对制品前体施加必需的、均匀分布的介质压力。但是，最好通过低温聚合物介质6的热膨胀来产生这个压力。在压力容器3内的不同位置可插入普通压力传感器之类的元件来探测所需的压力。虽然本发明可使用任何压力，通常对于模塑碳-碳复合材料需要直至20.67MPa（3000PSi）的压力。但是，据信直至138MPa（20，000PSi）的压力都是可以使用的。