专利名称：高导热性碳/碳蜂窝状结构的制作方法
技术领域：
本发明，概括地说，涉及制造碳/碳复合蜂窝状结构的方法，尤其是涉及能用于传热设备的具有高导热性的碳/碳复合蜂窝状结构。
在本文中所使用的“蜂窝状”结构材料应当包括任何的全部的具有规则结构的多孔、薄壁结构材料。蜂窝状结构材料用于许多需要劲度重量比高的用途之中。使用各种各样的材料制造蜂窝状结构，包括各种金属(如铝、钛和不锈钢)和各种有机基材复合材料。许多蜂窝体的用途(如发动机罩)需要具有抗热性，在许多情况下同时需要抗热性和一定程度的导热性。在这些结构的设计方面一直存在的问题，已经使高温机械性能和导热性两者最佳化，与此同时还减少了重量。现在，“最好的”可行解决方法得自对一种或多种理想参数进行折衷的方法。例如铝能够容易地制成蜂窝体，并具有优良的比导热率。然而，在较低温度下，铝的机械性能会恶化。不锈钢虽然在高温下保持良好的机械性能，但是其比导热率低劣。与铝相比，用钛制造难以进行，并且价格昂贵，也具有比导热率差的问题。采用高模量沥青前体(pitch precursor)碳纤维和包括环氧树脂和氰酸酯的各种有机基质，开发了具有较高比导热率的有机基质复合蜂窝材料(参见Corden的美国专利5,288,537和Darfler等的美国专利5,527,584)。因为这些基质材料的性能较差，限制了其机械性能，所以这些结构的使用温度范围也受到限制。另外所用的高模量碳纤维十分昂贵，并且因为其劲度高而难以加工。碳/碳蜂窝状结构可见述于此前Delage等的美国专利5,415,715和5,514,445中。这种结构的优点是，具有与碳/碳复合材料相关的高比强度和劲度。另外，它们在高温下仍保持着这些性能。非常希望提供一种下述那样的方法，借助于该方法能够使用低成本低模量碳纤维制造蜂窝状材料，随后可使其经致密化并转变为高热导性材料，并伴随着纤维模量的增加。这种材料能够用于热交换器或其它热交换设备。在下述应用中，这种材料是特别有价值的，即由于铝的高温强度低劣而不能使用铝的地方，或者具有较好高温性能的金属(如钛)由于导热性不足或者重量限制而不能用的地方。
本发明通过所公开的下述方法提供了解决上述问题的方法；该方法提供了由低模量沥青前体碳纤维复合材料和石墨类碳基质制造的高导热率蜂窝状结构；该方法包括的步骤有提供低模量沥青前体碳纤维复合结构，加热低模量沥青前体碳纤维复合结构至约700～900℃，在低压和约950～1200℃下借助于CVD/CVI采用可石墨化的碳使复合结构致密化，和将所得结构热处理至约2200～3200℃，这样提供了从低模量沥青前体碳纤维复合材料和石墨类碳基质制造的蜂窝状结构，这样制的蜂窝状结构具有高导热率和提高的纤维模量。
采用普通蜂窝体生产技术，将低模量沥青前体碳纤维(如AmocoPerformance Products公司的P-25或P-30X；Mitsubishi公司的MKC321)与可溶可熔酚醛树脂或线型酚醛环氧树脂或其它可碳化的热固性树脂一起使用，生产出蜂窝状结构。因为这些纤维的模量较低，所以生产微孔尺寸小的蜂窝体比采用高模量纤维容易。这种蜂窝结构可得自，例如，YLA Cellular Products公司(Dublin，CA)。然后，将这些结构经惰性气体热解和碳化转化成碳/碳复合材料。典型的碳化温度为约700～900℃。在碳化过程中，由于非碳材料从树脂中损失掉，基质材料成为多孔的。然后，采用碳蒸汽沉积/碳蒸汽渗透(“CVD/CVI”)方法使所得结构致密化，该方法，在给定的适当的加工条件下，沉积可高度石墨化的碳。这种方法一般使用低压(＜约100torr)天然气或低分子量气态烃的混合物，在约950℃～1200℃下进行操作。前体气体裂解中成固体碳和氢及许多副产物。固体碳沉积在碳化蜂窝孔中。然后，将所得致密结构(典型密度1.8g/cc)热处理至约2200～3200℃，以便使碳纤维和碳基质石墨化。如果可以消除结构畸变的可能性，那末也可以在致密之前进行热处理。所得结构的纤维模量增加，在蜂窝状壁的颊的方向上的所谓的纤维方向具有高导热率，其值高于约200w/m-k。预计经过微孔壁的传导较低。
实例采用模量为2千5百万psi的沥青前体碳纤维和自BordenIndustrial Resins的市售酚醛树脂如SC1008，制备碳纤维酚醛复合蜂窝状材料。采标准蜂窝体制造方法。采用惰性气体进行材料热解，热解温度约达800℃。采用CVD致密，使材料致密至密度为1.7～1.75g/cm。然后对该材料进行热处理，至2200℃以上，所使用的最高温度渗透时间＞2hr。采用相同方法从相同材料制造的目视平的(flat witness)试样，经测定在纤维方向导热率为＞200w/m-k。
本发明能够使用现有低模量纤维结构形成高导热率纤维基蜂窝状结构。这样就避免了应用昂贵的高模量纤维材料结构，或者避免了将低模量纤维加工制成用于制造蜂窝状结构的复合材料。
权利要求
1.一种提供由低模量沥青前体碳纤维复合材料和石墨类碳基质制造的高导热率蜂窝状结构的方法，该方法包括的步骤有提供低模量沥青前体碳纤维复合结构，加热低模量沥青前体碳纤维复合结构至约700～900℃，在低压和约950～1200℃下借助于CVD/CVI采用可石墨化的碳使复合结构致密化，和将所得结构热处理至约2200～3200℃，这样提供了从低模量沥青前体碳纤维复合材料和石墨类碳基质制造的蜂窝状结构，这样制的蜂窝状结构具有高导热率和提高的纤维模量。
2.按照权利要求1的方法，其还包括在致密化步骤之前热处理所述结构至约2200～3200℃。
3.按照权利要求2的方法，其中，低压为小于约100torr。
4.按照权利要求1的方法，其中，低模量沥青前体碳纤维在起始时模量小于7千万psi。
5.按照权利要求4的方法，其中，低模量沥青前体碳纤维复合材料起初包含低模量沥青前体碳纤维和可碳化热固性树脂的复合材料。
6.按照权利要求5的方法，其中，热固性树脂包括酚醛树脂和线型酚醛环氧树脂之一。
7.按照权利要求1的方法，其中，高导热率在蜂窝体壁平面的方向上为大于约200w/m-k。
8.按照权利要求1制造的结构。
9.高导热率的蜂窝状结构，其是由低模量沥青前体碳纤维复合蜂窝状结构和石墨碳基质制造的，将低模量沥青前体碳纤维复合蜂窝状结构加热至约700～900℃，在低压下约950～1200℃下借助于CVD/CVI用可石墨化的碳致密，以及随后热处理至约2200～3200℃，如此由低模量沥青前体碳纤维复合蜂窝状结构和石墨碳基质制的高导热率蜂窝状结构，在整个厚度方向上的导热率大于约200w/m-k，并且纤维模量增加。
10.按照权利要求9的结构，其中，低压为小于约100torr。
11.按照权利要求9的方法，其中，低模量沥青前体碳纤维在初始时的模量为小于7千万psi。
12.按照权利要求9的方法，其中，低模量沥青前体碳纤维复合蜂窝状结构初始包含低模量沥青前体碳纤维和可碳化的热固性树脂的复合材料。
13.按照权利要求12的方法，其中，热固性树脂包括酚醛树脂和线型酚醛环氧树脂之一。
全文摘要
本发明提供了一种制造碳/碳复合蜂窝状结构的方法,该结构不仅具有与碳/碳材料相关联的机械性能,而且还具有高导热率(>200w/m-k)。包含低模量沥青前体碳纤维复合材料的蜂窝状结构,经加热或碳化除去挥发物,经低压采用CVD/CVI致密化得到可石墨化的碳基质,接着经热处理使碳纤维和碳基质两者石墨化。所得蜂窝状结构具有高导热率,其纤维模量增加,可以用来,例如,制造热交换设备。
文档编号C04B35/52GK1336905SQ98811907
公开日2002年2月20日 申请日期1998年10月9日 优先权日1997年10月9日
发明者T·B·瓦尔克 申请人:联合讯号公司