[發明專利]高密度全氣相熱解炭基炭/炭復合材料的快速致密化方法

無效

• 申請號: 201010252400.3
• 申請日: 2010-08-13
• 公開（公告）號: CN101913896A
• 公開（公告）日: 2010-12-15
• 發明（設計）人: 湯中華;熊翔;張紅波;黃伯云
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C04B35/83
• 分類號: C04B35/83;C04B35/645
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 顏勇

技術領域

本發明公開了一種高密度全氣相熱解炭基炭/炭復合材料的快速致密化方法，屬于炭/炭復合材料制備技術領域。

背景技術

炭/炭(C/C)復合材料，即碳纖維增強炭基體復合材料，是一種集結構和功能于一體的先進復合材料。它具有高比強度、高比模量、低密度、優異的摩擦磨損性能，以及良好的抗熱震性、耐燒蝕性、化學穩定性和尺寸穩定性等。自誕生以來，已在航空、航天和武器裝備領域發揮了極其重要的作用。到目前為止，C/C復合航空剎車材料仍然占據C/C復合材料最大的市場份額。C/C復合材料的制備方法主要有液相浸漬法與化學氣相滲透(CVI)兩大類，其中化學氣相滲透是高性能C/C復合材料致密化的首選工藝，但同時也是C/C材料制備過程中耗時最長、成本最高的環節。因此，實現快速CVI成了CVI技術研究的熱點。C/C復合材料快速CVI增密技術的核心在于提高增密速率和控制沉積碳的結構。采用CVI工藝得到的沉積碳(又稱熱解碳)可分為粗糙層狀(RL)、光滑層狀(SL)以及各向同性(ISO)等三種基體結構類型。其中以RL結構熱解碳最致密(2.1～2.2g/m³)、微晶排列取向度最高、最易石墨化、導熱性最好，是制備高密度、高強度和高熱導率碳/碳復合材料最理想的一種基體碳結構類型。正因為如此，RL結構熱解炭也是高性能C/C復合航空剎車材料基體炭的首選。可是，當以甲烷、丙烯或者丙烷等小分子直鏈烴為碳源采用CVI工藝制備C/C復合材料時，要得到粗糙層熱解炭，往往要求熱解反應在較高的溫度下進行。這一方面可加快反應速率和沉積速率，但另一方面，更容易造成多孔坯體表層封孔和表面結殼，從而使坯體的有效增密過早地終止，這一現象對于大尺寸厚壁件尤為明顯。因此，盡管國內外學者相繼提出和研究了各種快速CVI工藝，但是，沒有哪一種CVI工藝能完全避免表層封孔和表面結殼。對于炭纖維預制體，在CVI初期，由于孔隙度大，即便是傳統的均溫式CVI工藝，沉積速率也比較快。當坯體密度達到1.65～1.70g/cm³以后，坯體開孔孔隙度大大降低，且由于表層封孔的緣故，孔隙形狀大多變成內寬外窄的瓶頸狀。因此，要靠CVI工藝繼續增密將變得越來越費時低效，即便是此時機加工去掉表層繼續CVI增密，也是收效甚微。由此可見，僅靠CVI增密工藝，難以制備高密度(d＞1.80g/cm³)的大尺寸全熱解炭基C/C復合材料。為了制備高密度C/C復合材料，一般先將炭纖維預制體CVI增密至1.65g/cm³左右，然后采用液相(瀝青或樹脂)浸漬輔助增密。在液相浸漬輔助增密過程中，受前驅體產炭率的限制，要將密度為1.65g/cm³左右的C/C材料增密到1.80g/cm³以上，通常需要2個以上的浸漬-炭化周期，而且還要進行中間石墨化和機加工處理。因此，采用液相浸漬輔助增密，雖然比較容易獲得高密度的C/C材料，但仍然存在長時低效的不足。更為重要的一點是，后續增密的瀝青炭或樹脂炭與CVI熱解炭在微觀結構和顯微硬度上呈現出明顯的差異。這種差異的存在直接影響到C/C材料在摩擦制動過程中摩擦表面固體自潤滑膜的致密度與均勻性，從而降低C/C材料的耐磨性。因此，獲得高密度全CVI熱解炭基C/C材料是制備高性能長壽命C/C航空剎車副的必經之路。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術之不足而提供一種工藝方法簡單、操作方便、在全氣相熱解炭基C/C復合材料的基礎上通過高溫熱壓使C/C復合材料快速致密的高密度全氣相熱解炭基炭/炭復合材料的快速致密化方法。

本發明高密度全氣相熱解炭基炭/炭復合材料的快速致密化方法，包括下述步驟：

第一步：將2D型或準3D型預制體經常規CVI增密到1.50～1.70g/cm³，得到以全粗糙層結構熱解炭為基體炭的碳/碳復合材料；

第二步：將第一步所得碳/碳工件加熱至2300℃～2700℃，然后逐步加壓至30～50MPa，控制壓制方向的應變小于等于8％，保壓5～10分鐘后逐步卸載；并使碳/碳工件隨爐冷卻，即制得密度大于等于1.80g/cm³炭/炭復合材料。

本發明第一步中，所述碳/碳復合材料經過機加工成中心帶圓柱形通孔或不帶孔的圓盤形工件。

本發明第二步中，所述加壓速率為60～100MPa/h，卸載速率為30～40MPa/h。

本發明中，所述2D型預制體是由預浸布疊層構成的炭纖維預制體。