一种碳/碳复合材料的快速致密方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种碳/碳复合材料的快速制备方法，特别是一种高密度热解碳基碳/碳复合材料的快速制备方法
【背景技术】
[0002]碳/碳复合材料是一种碳纤维增强碳基体的先进复合材料，其性能取决于碳纤维和基体碳的类型和结构，其中基体碳的类型对复合材料的性能有重要影响。基体碳主要有热解碳、树脂碳或沥青碳三种类型，其中热解碳是一种性能优异的基体碳，它由含碳有机气体在高温下裂解得到，微观上由纳米碳微晶构成，结构致密均匀。热解碳基碳/碳复合材料具有高比模量、高比强度、低热膨胀系数、耐烧蚀等优异综合性能，被广泛应用于航天、能源、化工等领域。热解碳基碳/碳复合材料采用化学气相沉积(CVI)方法制备，由于沉积过程受碳源气体的扩散和传输控制，沉积速率一般在2.78-6.94 X 1-5 μ m/s之间，非常缓慢。特别是当复合材料密度达到1.5g/cm3以上后，由于表面封孔效应，碳源气体难以渗入碳/碳复合材料内部，沉积速率更趋缓慢，直至无法沉积，难以满足制备高密度热解碳基碳/碳复合材料的要求。为缩短致密周期，降低制备成本，本发明采用放电等离子烧结(SPS)方法，快速致密低密度热解碳基碳/碳复合材料。
[0003]采用放电等离子烧结(SPS)实现C/C复合材料的快速增密，在相关文献中还未见报道。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种高密度热解碳基碳/碳复合材料的快速制备方法。本发明利用碳/碳复合材料中粗糙层结构热解碳基体在高温下的蠕变特性，结合SPS烧结对碳/碳复合材料中碳微晶的活化效应，降低致密化温度和压力，缩短致密时间，实现低密度热解碳基碳/碳复合材料的快速致密，制备高密度热解碳基碳/碳复合材料。
[0005]本发明一种碳/碳复合材料的快速致密方法，包括下述步骤:
[0006]将密度为0.8-1.5g/cm3的C/C复合材料预制体置于SPS炉中，升温至1600-2200°C后，施压，在压力条件下，保温保压后，得到致密的C/C复合材料；所述C/C复合材料预制体由碳纤维预制体和沉积在碳纤维预制体上的热解碳组成；所述热解碳为粗糙层结构热解碳。
[0007]本发明一种碳/碳复合材料的快速致密方法，包括下述步骤:
[0008]将密度为0.8-1.5g/cm3的C/C复合材料预制体置于SPS炉中，抽真空至炉内压力小于等于KT2Pa后，升温至1600-2200°C;到温后，对C/C复合材料预制体施加30_40MPa的压力，保温、保压10-30min ;得到致密的C/C复合材料。
[0009]本发明一种碳/碳复合材料的快速致密方法，所述升温的升温速率为100_200°C /
mino
[0010]本发明一种碳/碳复合材料的快速致密方法，所述施压的加压速率为0.5-lMPa/
mino
[0011]本发明一种碳/碳复合材料的快速致密方法，保温、保压后进行降温、卸压处理，所述降温的速率为80-100°C /min ;所述卸压的速率:l_2MPa/min。
[0012]本发明一种碳/碳复合材料的快速致密方法，所述SPS的脉冲特征参数为:
[0013]脉冲电流:方波直流；
[0014]脉冲宽度:1ms;
[0015]脉冲周期:2ms ；
[0016]两个脉冲间隔:0ms。
[0017]本发明一种碳/碳复合材料的快速致密方法；所述密度为0.8-1.5g/cm3的C/C复合材料预制体是通过下述方案制备的:
[0018]以密度为0.15-0.2g/cm3的碳纤维预制体为原料，通过化学气相渗透沉积(CVI)热解碳；得到密度为0.8-1.5g/cm3的C/C复合材料预制体；所述热解碳粗糙层结构热解碳。
[0019]所述碳纤维预制体为碳纤维全网胎毡。
[0020]本发明一种碳/碳复合材料的快速致密方法；化学气相渗透沉积(CVI)热解碳时，所用碳源气体选自丙烯、甲烷中的至少一种；所用稀释气体选自氮气、氢气中的至少一种；其条件参数为:
[0021]温度1150-1200°C，优选为 1180_1190°C，进一步优选为 1180°C ；
[0022]压力12_18KPa，优选为 13_17KPa，进一步优选为 14_16KPa ；
[0023]丙稀流量为4-8L/min，优选为5_7L/min，进一步优选为6.0L/min ；
[0024]氮气流量为7-12L/min，优选为8_10L/min，进一步优选为9.0L/min ；
[0025]时间为50-100h，优选为60_90h，进一步优选为70_80h。
[0026]本发明一种碳/碳复合材料的快速致密方法；所得产品的密度为1.6-1.8g/cm3。
[0027]本发明一种碳/碳复合材料的快速致密方法；以密度为0.8-1.5g/cm3的C/C复合材料预制体为原料，其增密速度为0.01-0.03g/cm3.min(其计算方法为:(成品的密度-复合材料预制体的密度)/在SPS炉内的时间)。
[0028]优点及积极效果
[0029]本发明由于采用上述工艺方法，因而，具有如下优点和积极效果:
[0030]1、碳/碳复合材料中的粗糙层结构热解碳，微观上是由纳米尺度的热解碳微晶构成，在高温下具有蠕变变形能力。SPS致密过程中，放电点(即局部高温源)在碳微晶间移动而布满整个工件，使工件各部位均匀发热、温度一致，活化后的热解碳的蠕变抗力降低，从而降低碳/碳复合材料的致密化温度和压力。
[0031]2、碳/碳复合材料的致密过程在SPS形成的电场、热场、力场的共同作用下实现，
致密化过程可缩短至2h左右，致密效率大幅度提高。
[0032]3、采用本发明，将初始密度为0.19g/cm3碳纤维全网胎毡经CVI致密到0.9g/cm3，机加工成直径为40mm、高为1mm的工件，控制基体热解碳微观结构为粗糙层结构热解碳；采用SPS炉，对所述碳/碳复合材料工件快速升温至温度为1700°C后，缓慢加压至压力为31MPa，控制升温速率为140°C /min、加压速率为0.5MPa/min ;保温、保压25min，降温、卸压，控制降温速率为80-100°C /min、卸压速率为l_2MPa/min，完成碳/碳复合材料的致密过程， 快速制备出密度为1.6g/cm3的热解碳基碳/碳复合材料。
【附图说明】
[0033]附图1为本发明碳/碳复合材快速致密的优选工艺流程图；
[0034]附图2为本发明的碳/碳复合材快速致密原理示意图。
[0035]从图1中可以看出本发明碳/碳复合材快速致密的优选工艺流程。
[0036]图2中，I为碳/碳复合材料，2为石墨模具，3为压头，4为石墨盘，5为电极，6为真空炉。
【具体实施方式】
[0037]实施例1:
[0038](I)将初始密度为0.19g/cm3碳纤维全网胎毡经CVI致密到0.9g/cm 3，控制基体热解碳微观结构为粗糙层结构热解碳；CVI工艺参数为:温度:1180°C;压力:15KPa ;丙烯流量:6.0L/min ;氮气流量:9L/min ;时间:50h。
[0039](2)将所述碳/碳复合材料机加工成直径为40mm、高为1mm的工件，装入SPS炉的石墨模具中，经5KN的力预压成型，使样品表面保持平整。
[0040](3)采用SPS炉，抽真空至10_2Pa后，对所述碳/碳复合材料快速升温至温度为1700°C后，缓慢加压至压力为31MPa，控制升温速率为140°C /min、加压速率为0.5MPa/min ；
[0041](4)保温、保压25min，降温、卸压，控制降温速率为80-100K/min、卸压速率为l-2MPa/min，完成碳/碳复合材料的致密过程，制备出密度为1.6g/cm3的热解碳基碳/碳复合材料。
[0042]实施例2:
[0043](I)将初始密度为0.15g/cm3碳纤维全网胎毡经CVI致密到1.32g/cm 3，控制基体热解碳微观结构为粗糙层结构热解碳；CVI工艺参数为:温度:1190°C;压力:12kPa ;丙烯流量:5.0L/min ;氮气流量:8L/min ;时间:80h。
[0044](2)将所述碳/碳复合材料机加工成直径为40mm、高为1mm的工件，装入SPS炉的石墨模具中，经5KN的力预压成型，使样品表面保持平整。
[0045](3)采