[發明專利]一種碳基復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201810159894.7
• 申請日: 2018-02-26
• 公開（公告）號: CN108383536B
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 馮雷;左玉;楊艷玲;侯小江;鎖國權
• 申請（專利權）人: 陜西科技大學
• 主分類號: C01B32/186
• 分類號: C01B32/186;C04B35/80;C04B35/52;C04B35/622
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 王晶

一種新型碳基復合材料的制備方法，具體以金屬模板材料為模板，采用CVD工藝生長G，將得到的G/金屬模板材料浸入催化劑前驅體水溶液中，后放入管式爐，在氫氣氣氛下加熱至生長溫度，采用CVD工藝生長CNT，將得到的CNT/G/金屬模板材料浸入酸溶液中，刻蝕掉金屬模板得到CNT/G預制體，采用CVI工藝進行PyC沉積，最后經高溫石墨化形成以CNT、G和不同織構PyC構造成的CNT/G/PyC塊體復合材料，相比碳纖維預制體，CNT/G預制體可對碳基體進行亞微米尺度上的全面改性和強化，本發明制備出的新型碳基復合材料具有質輕、易加工、高強韌、高導電和高導熱的優異性能。

技術領域

本發明涉及復合材料制備技術領域，特別涉及一種新型碳基復合材料的制備方法。

背景技術

碳纖維增強碳基(C/C)復合材料因具有耐高溫、抗沖刷、抗燒蝕、高溫力學性能極佳等獨特性質，在航空、航天等高科技領域有著舉足輕重的地位和作用。近年來，隨著我國航空航天及國防科技的快速發展，如新一代航空發動機、空天飛行器等，對高強韌薄壁、銳形C/C構件的需求日益迫切。然而，傳統C/C復合材料在薄壁、銳形構件成型中，機加工導致碳纖維(長徑比急劇降低)強韌效果的嚴重衰退以及復合材料內毫、微米級孔隙(如疊層間隔、纖維束間隙、編織盲區等)中熱解碳(Pyrocarbon，以下簡稱PyC)的對外顯現，使得PyC成為構件的受力主體，其在高速氣流沖壓下極易于產生粉碎性破壞，導致薄壁、銳形構件前緣力學性能嚴重損傷，易產生“崩塊”破壞。

隨著“完美納米碳材料”石墨烯(Graphene，以下簡稱G)、碳納米管(Carbonnanotube，以下簡稱CNT)的發現與研究深入，給復合材料帶來了全新的物理、化學與力學性能。G是由碳原子經sp²雜化形成的柔性二維材料，具有超輕比重、極大比表面積(2630m²/g)、極高石墨化度、超高力學性能(拉伸強度可達130GPa)等特性，被譽為“最強材料”。CNT可看作由單層或多層G片圍繞中心軸，按一定的螺旋角卷曲而成的無縫一維納米管，具有1000:1的超大長徑比，比傳統碳纖維高出一個數量級，被稱為“超級纖維”。二者依靠物理和化學作用搭接而成的CNT/G宏觀三維增強體，可對碳基復合材料進行多尺度混雜強韌化，尤其是可實現對碳基亞微米尺度上的全面改性和強化，有望獲得一種質輕、加工性好、高強韌碳基復合材料，具有十分重要的意義。

目前，公開報道的G或CNT增強碳基復合材料制備方法主要集中于“物理摻雜”或“構建CNT-碳纖維、G-碳纖維多尺度增強體”，G和CNT二次增強體的角色定位大大限制了其對碳基復合材料巨大的增強能力。少數報道的以CNT陣列為預制體，通過沉積PyC制備出高導電、高導熱的輕質CNT/PyC復合材料，但受限于CNT陣列自身尺寸，得到的復合材料厚度僅有幾毫米，無法滿足工程需要。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種新型碳基復合材料的制備方法，發明首先采用模板導向CVD和催化CVD兩種技術手段制備出CNT和 G的宏觀大尺寸預制體，然后通過CVI工藝對預制體沉積PyC進行致密化，最后經高溫石墨化處理成功制備出以CNT/G為預制體，PyC為基體的大尺寸、輕質、高性能的新型碳基復合材料。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種新型碳基復合材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：制備G宏觀體

以多孔金屬材料為模板，采用CVD工藝生長G，工藝條件為：含碳前驅體通入量0.1～500ml/min，反應溫度900～1100℃，氬氣流量10～1000ml/min，氫氣流量 10～1000ml/min，反應時間0.1～5h，降溫速率5～20℃/min；

步驟2：在G宏觀體內生長CNT