[發(fā)明專利]一種大尺寸異型碳基復(fù)合材料構(gòu)件及其制備方法

有效

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• 申請日: 2017-03-31
• 公開（公告）號(hào): CN106946582B
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李專;肖鵬;朱蘇華
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): C04B35/83
• 分類號(hào): C04B35/83;C04B35/52;C04B41/87
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 顏勇

本發(fā)明涉及一種大尺寸異型碳基復(fù)合材料構(gòu)件及其制備方法。所述構(gòu)件以質(zhì)量百分比計(jì)包括下述組分：碳纖維20?35％、熱解碳35?75％、SiC5?15％。其制備方法為：根據(jù)所要求的部件外形先將連續(xù)碳纖維針刺出密度為0.4～0.55g/cm³的預(yù)制坯件；接著采用石墨模具對(duì)預(yù)制坯件的內(nèi)外形面進(jìn)行固定；然后依次經(jīng)高溫?zé)崽幚怼⒌谝淮翁汲练e、卸模、粗加工、第二碳沉積、石墨處理、硅蒸汽蒸浴、精加工得到成品。本發(fā)明解決了大尺寸異型碳基復(fù)合材料構(gòu)件長時(shí)間靜置以及制備過程中極易變形的問題，所得產(chǎn)品具有力學(xué)性能好、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，便于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并可應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸和生物醫(yī)用等領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域；具體涉及一種大尺寸異型碳基復(fù)合材料構(gòu)件及其制備方法。

背景技術(shù)

碳基復(fù)合材料是由碳纖維骨架和基體(碳基、陶瓷基等)組成的復(fù)合材料，是具有優(yōu)異高溫性能的結(jié)構(gòu)與功能一體化工程材料，具有密度低、高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、抗燒蝕、抗太空高能粒子輻照等優(yōu)點(diǎn)，因此在航空航天、軍事工業(yè)、民用材料(如核反應(yīng)堆、高溫軸承、碳坩堝和熱密封圈等)等領(lǐng)域得到了巨大的發(fā)展和重要的應(yīng)用。

以航天飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)為例，飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)越來越青睞以非金屬為主的陶瓷熱防護(hù)。2003年2月1日，美國“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)返回地球時(shí)，因隔熱瓦脫落導(dǎo)致高溫氣流進(jìn)入機(jī)體內(nèi)部，最終機(jī)毀人亡，釀成航天史上一幕慘劇。事故的根本原因就是：“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)機(jī)身表面有2萬塊隔熱瓦和2300塊隔熱襯墊，數(shù)量龐大，采用粘接方式安裝在機(jī)身表面，可靠性差、容易損傷。如果采用大尺寸防熱面板，則可一次整體成型，減少了部件和連接件的數(shù)目，這樣不僅可以顯著降低機(jī)身的重量，減少制造和裝配時(shí)間，更主要的是減少了由于防熱面板繁多的連接而引發(fā)的安全隱患，大大提高了安全可靠性。

但是，大尺寸異型碳基復(fù)合材料構(gòu)件的成型制備技術(shù)是一個(gè)難點(diǎn)。目前，對(duì)于大尺寸異型復(fù)合材料構(gòu)件主要是通過不斷發(fā)展的連接技術(shù)獲得，應(yīng)用較多的連接方法有粘接、焊接和機(jī)械連接，其中螺栓連接具有能夠承受較大的載荷、拆裝維修方便、安全可靠、連接質(zhì)量容易檢查、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，是目前復(fù)合材料機(jī)械連接中最常用的連接方法之一。但是復(fù)合材料螺栓一般都服役于非?？量痰沫h(huán)境，環(huán)境中的各個(gè)因素，如溫度、濕度、震動(dòng)、加載情況等都會(huì)引起螺栓結(jié)構(gòu)的失效，造成事故，同時(shí)螺栓結(jié)構(gòu)根本無法適用于薄壁大尺寸構(gòu)件；除此之外，為了在碳基復(fù)合材料制備出螺栓結(jié)構(gòu)相匹配的螺孔其存在周期長、成本高、成品率低等不足。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提供了一種大尺寸異型碳基復(fù)合材料構(gòu)件及其制備方法，該方法解決了碳纖維預(yù)制體易變形及薄壁碳基復(fù)合構(gòu)件長時(shí)間靜置以及制備過程中極易變形的問題，其制造的碳基復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能、熱膨脹系數(shù)較小、高導(dǎo)熱性和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)勢。

本發(fā)明一種大尺寸異型碳基復(fù)合材料構(gòu)件；其材質(zhì)以質(zhì)量百分比計(jì)包括下述組分：

碳纖維20-35％；

熱解碳35-75％

SiC 5-15％。

本發(fā)明一種大尺寸異型碳基復(fù)合材料構(gòu)件；所述大尺寸異型碳基復(fù)合材料構(gòu)件包括薄壁碳基復(fù)合材料構(gòu)件。

本發(fā)明一種大尺寸異型碳基復(fù)合材料構(gòu)件；其表層密度高于芯部密度。

本發(fā)明一種大尺寸異型碳基復(fù)合材料構(gòu)件的制備方法，包括下述步驟：

步驟一

根據(jù)所要求的部件外形先將連續(xù)碳纖維針刺出預(yù)制坯件；所述預(yù)制坯件的密度為0.4～0.55g/cm³；采用石墨模具對(duì)預(yù)制坯件的內(nèi)外形面進(jìn)行固定；得到備用坯件；

步驟二