一种薄壁高强度碳碳复合材料管道及其制备方法与流程

本发明涉及碳碳复合材料技术领域，特别涉及一种薄壁高强度碳碳复合材料管道及其制备方法。

背景技术：

随着石化、化工、粉末冶金等行业的发展，对管道输送物料，例如气体、液体、含固体的混合浆料等的需求日益增加，其中对具有高温、高压、腐蚀等性质的物料输送需求较大，需要具有特殊性能的管道。传统技术中，此类管道通常采用工程塑料和橡胶材料，但此类材料的缺陷为不耐高温，在高温下易老化，产生裂纹，从而导致物料泄漏，具有较大的安全隐患；也有采用石墨或者金属管道，但此类管道脆性较大，或者不耐腐蚀，且不具有保温功能。

为解决上述技术问题，现有技术中开发了碳碳复合材料管道，其将具有高强度的碳布等材料与具有保温和耐腐蚀性能树脂复合起来，兼具耐高温、耐腐蚀、耐压、保温等性能。但具有管壁较厚，相邻碳布之间易滑动而使强度减弱，浸渍树脂不完全造成气泡缺陷使耐压性能降低，高温固化等过程易使碳纤维氧化损伤等问题。

因此需要开发一种薄壁高强度碳碳复合材料管道及其制备方法。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于，提供一种薄壁高强度碳碳复合材料管道及其制备方法，该薄壁高强度碳碳复合材料管道及其制备方法采用新式网胎，以及与之配合的碳纤维预制件制备新方法，并采用全新的粘结剂浸渍过程制备得到碳碳复合材料管道，减小了碳布和网胎之间的距离，避免了相邻碳布之间的滑动，大幅降低了浸渍树脂的气泡缺陷和高温固化等过程碳纤维氧化损伤等问题，使碳碳复合材料管道减小壁厚的同时保持了强度不降低。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种薄壁高强度碳碳复合材料管道，所述管道包括管道本体和位于管道本体内表面上的致密层；

所述管道本体由网胎、碳布、粘结剂、化学气相沉积层组成；

所述网胎包括通过纤维短切、机械梳理成网、插入垂直网胎面短纤维制备而成的网胎；

所述网胎和碳布通过压合而相互结合；

所述致密层由喷涂在管道本体上的硅溶胶溶液经化学方法处理形成。

优选地，所述碳布包括平纹碳布，所述碳布的面密度为200～800g/m²。

优选地，所述致密层厚度为10μm～500μm。

优选地，所述粘结剂包括水溶性热固性树脂、非水溶性热固性树脂、沥青或者多羟基粘结剂。

优选地，所述管道的内径为φ20～φ1000mm，长度为500～3000mm，壁厚为1.5～80mm，密度为1.2～2.0g/cm³。

第二方面，本发明提供一种上述薄壁高强度碳碳复合材料管道的制备方法，所述方法包括以下步骤：

1)制作模具：按照管道的预订设计规格制作相应的专用模具；

2)制备网胎：采用纤维短切、机械梳理、成网的技术制备网胎主体，再将一定长度的短纤维以垂直或者近似垂直于网胎主体面的方向插入网胎主体，形成网胎；

3)制作预制件：将步骤2)制备的一层网胎与一层碳布层叠，缠绕在步骤1)制作的专用模具上，缠绕过程中采用压辊方式，施加一定的压力，使所述网胎与碳布紧密结合，制成需要厚度的碳纤维预制件；

4)固化：将步骤3)得到的碳纤维预制件浸渍粘结剂，浸渍过程中使浸渍空间保持一定的真空度，并将一定强度的超声波施加在粘结剂上，然后加热固化，得到成型的管道毛坯；

5)裁切脱模：用端面裁切设备对管道毛坯裁切端面，并将模具脱出毛坯；

6)沉积增密：将已脱模的管道毛坯放入化学气相沉积炉中沉积增密，缓慢加热升温到沉积温度，通入碳氢气体和稀释气体进行化学气相沉积增密；

7)加工抛光：待管道毛坯密度达到预定的密度时，再进行内、外表面加工，抛光；

8)喷涂、致密化处理：使用硅溶胶溶液均匀喷涂在管道的内表面，晾干，再放入化学气相多功能炉中，升温并保持一定时间，然后将温度降低到一定程度，通入碳氢气体和稀释气体，维持一定时间，得到致密层。

优选地，步骤2)所述短纤维长度为0.5～1.0mm。

优选地，所述步骤3)压辊与专用模具之间的压力为20～40n/cm。

优选地，所述步骤4)的真空度为-70～-90kpa，所述超声波的频率为20～30khz，超声功率为40～50w，超声源与所述碳纤维预制件的距离为10～20cm。

优选地，所述步骤4)使用的粘结剂经过脱氧处理，所述加热固化过程在无氧气的惰性气体保护下进行。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：该薄壁高强度碳碳复合材料管道及其制备方法采用新式网胎，以及与之配合的碳纤维预制件制备新方法，并采用全新的粘结剂浸渍过程制备得到碳碳复合材料管道，减小了碳布和网胎之间的距离，避免了相邻碳布之间的滑动，大幅降低了浸渍树脂的气泡缺陷和高温固化等过程碳纤维氧化损伤等问题，使密度为1.2～1.5g/cm³的管道抗压强度达到210mpa以上，抗折强度达到120mpa以上，使密度为1.5～2.0g/cm³的管道抗压强度达到320mpa以上，抗折强度达到190mpa以上，使碳碳复合材料管道减小壁厚的同时保持了强度不降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明的网胎结构示意图；

图2为本发明的网胎与碳布压合后垂直于碳纤维长度的部分切面结构示意图；

图3为本发明的薄壁高强度碳碳复合材料管道的制备方法示意图；

其中：

1、短纤维，2、网胎主体，3、碳纤维，4、碳布。

具体实施方式

本发明提供一种薄壁高强度碳碳复合材料管道及其制备方法，该薄壁高强度碳碳复合材料管道及其制备方法采用新式网胎，以及与之配合的碳纤维预制件制备新方法，并采用全新的粘结剂浸渍过程制备得到碳碳复合材料管道，减小了碳布和网胎之间的距离，避免了相邻碳布之间的滑动，大幅降低了浸渍树脂的气泡缺陷和高温固化等过程碳纤维氧化损伤等问题，使碳碳复合材料管道减小壁厚的同时保持了强度不降低。

本发明提供一种薄壁高强度碳碳复合材料管道，管道包括管道本体和位于管道本体内表面上的致密层；

管道本体由网胎、碳布、粘结剂、化学气相沉积层组成；

网胎包括通过纤维短切、机械梳理成网、插入垂直网胎面短纤维制备而成的网胎，如图1所示；

网胎和碳布通过压合而相互结合，如图2所示；

致密层由喷涂在管道本体上的硅溶胶溶液经化学方法处理形成。

优选地，碳布包括平纹碳布，碳布的面密度为200～800g/m²。

优选地，致密层厚度为10μm～500μm。

优选地，粘结剂包括水溶性热固性树脂、非水溶性热固性树脂、沥青或者多羟基粘结剂。

优选地，管道的内径为φ20～φ1000mm，长度为500～3000mm，壁厚为1.5～80mm，密度为1.2～2.0g/cm³。

进一步优选地，薄壁高强度碳碳复合材料管道的一端设有内螺纹，另一端设有与内螺纹相配合的外螺纹，同样规格的两根管道能够通过其端部的内螺纹和外螺纹拼接在一起。

进一步优选地，碳布包括经表面修饰的碳布，表面修饰剂包括二羟苯丙氨酸的溶液，其浓度为0.05～0.10mol/l。

本发明提供一种上述薄壁高强度碳碳复合材料管道的制备方法，如图3所示包括以下步骤：

1)制作模具：按照管道的预订设计规格制作相应的专用模具；

2)制备网胎：采用纤维短切、机械梳理、成网的技术制备网胎主体，再将一定长度的短纤维以垂直或者近似垂直于网胎主体面的方向插入网胎主体，形成网胎；

3)制作预制件：将步骤2)制备的一层网胎与一层碳布层叠，缠绕在步骤1)制作的专用模具上，缠绕过程中采用压辊方式，施加一定的压力，使网胎与碳布紧密结合，制成需要厚度的碳纤维预制件；

4)固化：将步骤3)得到的碳纤维预制件浸渍粘结剂，浸渍过程中使浸渍空间保持一定的真空度，并将一定强度的超声波施加在粘结剂上，然后加热固化，得到成型的管道毛坯；

5)裁切脱模：用端面裁切设备对管道毛坯裁切端面，并将模具脱出毛坯；

6)沉积增密：将已脱模的管道毛坯放入化学气相沉积炉中沉积增密，缓慢加热升温到沉积温度，通入碳氢气体和稀释气体进行化学气相沉积增密；

7)加工抛光：待管道毛坯密度达到预定的密度时，再进行内、外表面加工，抛光；

8)喷涂、致密化处理：使用硅溶胶溶液均匀喷涂在管道的内表面，晾干，再放入化学气相多功能炉中，升温并保持一定时间，然后将温度降低到一定程度，通入碳氢气体和稀释气体，维持一定时间，得到致密层。

优选地，步骤2)短纤维长度为0.5～1.0mm。

进一步优选地，步骤2)的短纤维插入网胎主体的一种方法如下：先使短纤维荷静电荷，然后使用带有相反电荷的绝缘板材吸附短纤维，短纤维会在相反电荷的吸引，以及相邻短纤维相同电荷的排斥的共同作用下，垂直树立于绝缘板材表面，然后将网胎主体靠近吸附有短纤维的绝缘板材一面，然后压合，得到本发明的网胎。

进一步优选地，步骤3)使用的碳布包括经表面修饰的碳布，表面修饰剂包括二羟苯丙氨酸的溶液，其浓度为0.05～0.10mol/l，碳布表面修饰过程为将碳布浸入二羟苯丙氨酸溶液中3～15分钟，取出后自然控干其中的溶液，然后常温下使用除尘空气吹干。

使用二羟苯丙氨酸溶液对碳布进行表面修饰的作用是改变碳纤维表面的亲疏水性能，使其更好地与粘结剂结合，从而提高管道机械强度。

优选地，步骤3)压辊与专用模具之间的压力为20～40n/cm。

本发明采用压辊压合的方法将网胎和碳布进行结合，目的是将垂直或者近似垂直于网胎主体面方向插入网胎主体的短纤维插入碳布的碳纤维之间的缝隙，形成横向架桥，从而使网胎与碳布之间的面作用力增强，避免碳布与网胎之间的面滑动，提高管道的耐压强度。

优选地，步骤4)的真空度为-70～-90kpa，超声波的频率为20～30khz，超声功率为40～50w，超声源与碳纤维预制件的距离为10～20cm。

本发明步骤4)的浸渍粘结剂的过程增加了抽真空和超声波强化的技术手段，目的是为了避免因步骤3)采用压合后，得到的碳纤维预制件孔隙率和空隙尺寸减小而导致的粘结剂浸渍不充分，使管道壳体内气泡较多的问题；另一方面，抽真空的过程也降低了内部的氧气含量，减少了氧气对碳纤维的氧化损伤。

优选地，步骤4)使用的粘结剂经过脱氧处理，加热固化过程在无氧气的惰性气体保护下进行。

进一步优选地，步骤4)的固化温度为200～450℃。

进一步优选地，步骤6)的沉积温度为850～1200℃，通入碳氢气体和稀释气体进行化学气相沉积增密，保持时间为70～300小时。

进一步优选地，步骤8)使用硅溶胶溶液均匀喷涂在管道的内表面，晾干，再放入化学气相多功能炉中，升温至1700～1950℃并保持3～5小时，再降温至1000～1450℃，通入碳氢气体和稀释气体，维持3～15小时，得到致密层。

进一步优选地，步骤8)使用的硅溶胶溶液的浓度为0.1～0.5mol/l。

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

管道包括管道本体和位于管道本体内表面上的致密层；管道本体由网胎2、碳布4、粘结剂、化学气相沉积层组成；网胎包括通过纤维短切、机械梳理成网、插入垂直网胎面短纤维1制备而成的网胎，如图1所示；网胎和碳布通过压合而相互结合，如图2所示；致密层由喷涂在管道本体上的硅溶胶溶液经化学方法处理形成。碳布为平纹碳布，碳布的面密度为200g/m²。致密层厚度为10μm。粘结剂包括水溶性热固性树脂。管道的内径为φ20mm，长度为500mm，壁厚为1.5mm，密度为1.2g/cm³。得到的碳碳复合材料管道的抗压强度达到213mpa，抗折强度达到127mpa，与采用现有技术制备得到的壁厚为2.8mm的管道性能相当。

上述薄壁高强度碳碳复合材料管道的制备方法，如图3所示，包括以下步骤：

1)制作模具：按照管道的预订设计规格制作相应的专用模具；

2)制备网胎：采用纤维短切、机械梳理、成网的技术制备网胎主体2，再将一定长度的短纤维以垂直或者近似垂直于网胎主体面的方向插入网胎主体，形成网胎，短纤维长度为0.5mm；

3)制作预制件：将步骤2)制备的一层网胎与一层碳布层叠，缠绕在步骤1)制作的专用模具上，缠绕过程中采用压辊方式，压辊与专用模具之间的压力为20n/cm，使网胎与碳布紧密结合，制成需要厚度的碳纤维预制件；

4)固化：将步骤3)得到的碳纤维预制件浸渍粘结剂，浸渍过程中使浸渍空间保持真空度为-70kpa，并将一定强度的超声波施加在粘结剂上，然后加热固化，固化温度为200℃，得到成型的管道毛坯，超声波的频率为20khz，超声功率为40w，超声源与碳纤维预制件的距离为10cm；

5)裁切脱模：用端面裁切设备对管道毛坯裁切端面，并将模具脱出毛坯；

6)沉积增密：将已脱模的管道毛坯放入化学气相沉积炉中沉积增密，缓慢加热升温到沉积温度，通入碳氢气体和稀释气体进行化学气相沉积增密，沉积温度为850℃，通入碳氢气体和稀释气体进行化学气相沉积增密，保持时间为70小时；

7)加工抛光：待管道毛坯密度达到预定的密度时，再进行内、外表面加工，抛光；

8)喷涂、致密化处理：使用硅溶胶溶液，浓度为0.1mol/l，均匀喷涂在管道的内表面，晾干，再放入化学气相多功能炉中，升温至1700℃并保持3小时，再降温至1000℃，通入碳氢气体和稀释气体，维持3小时，得到致密层。

步骤3)使用的碳布为经表面修饰的碳布，表面修饰剂为二羟苯丙氨酸的溶液，其浓度为0.05mol/l，碳布表面修饰过程为将碳布浸入二羟苯丙氨酸溶液中3分钟，取出后自然控干其中的溶液，然后常温下使用除尘空气吹干。

实施例2

管道包括管道本体和位于管道本体内表面上的致密层；管道本体由网胎2、碳布4、粘结剂、化学气相沉积层组成；网胎包括通过纤维短切、机械梳理成网、插入垂直网胎面短纤维1制备而成的网胎，如图1所示；网胎和碳布通过压合而相互结合，如图2所示；致密层由喷涂在管道本体上的硅溶胶溶液经化学方法处理形成。碳布为平纹碳布，碳布的面密度为800g/m²。致密层厚度为500μm。粘结剂为非水溶性热固性树脂。管道的内径为φ1000mm，长度为3000mm，壁厚为80mm，密度为2.0g/cm³。得到的碳碳复合材料管道的抗压强度达到400mpa，抗折强度达到270mpa，与采用现有技术制备得到的壁厚为120mm的管道性能相当。

上述薄壁高强度碳碳复合材料管道的制备方法，如图3所示，包括以下步骤：

1)制作模具：按照管道的预订设计规格制作相应的专用模具；

2)制备网胎：采用纤维短切、机械梳理、成网的技术制备网胎主体，再将一定长度的短纤维以垂直或者近似垂直于网胎主体面的方向插入网胎主体，形成网胎，短纤维长度为1.0mm；

3)制作预制件：将步骤2)制备的一层网胎与一层碳布层叠，缠绕在步骤1)制作的专用模具上，缠绕过程中采用压辊方式，压辊与专用模具之间的压力为40n/cm，使网胎与碳布紧密结合，制成需要厚度的碳纤维预制件；

4)固化：将步骤3)得到的碳纤维预制件浸渍粘结剂，浸渍过程中使浸渍空间保持真空度为-90kpa，并将一定强度的超声波施加在粘结剂上，然后加热固化，固化温度为450℃，得到成型的管道毛坯，超声波的频率为30khz，超声功率为50w，超声源与碳纤维预制件的距离为20cm；

5)裁切脱模：用端面裁切设备对管道毛坯裁切端面，并将模具脱出毛坯；

6)沉积增密：将已脱模的管道毛坯放入化学气相沉积炉中沉积增密，缓慢加热升温到沉积温度，通入碳氢气体和稀释气体进行化学气相沉积增密，沉积温度为1200℃，通入碳氢气体和稀释气体进行化学气相沉积增密，保持时间为300小时；

7)加工抛光：待管道毛坯密度达到预定的密度时，再进行内、外表面加工，抛光；

8)喷涂、致密化处理：使用硅溶胶溶液，浓度为0.5mol/l，均匀喷涂在管道的内表面，晾干，再放入化学气相多功能炉中，升温至1950℃并保持5小时，再降温至1450℃，通入碳氢气体和稀释气体，维持15小时，得到致密层。

短纤维插入网胎主体的方法如下：先使短纤维荷静电荷，然后使用带有相反电荷的绝缘板材吸附短纤维，短纤维会在相反电荷的吸引，以及相邻短纤维相同电荷的排斥的共同作用下，垂直树立于绝缘板材表面，然后将网胎主体靠近吸附有短纤维的绝缘板材一面，然后压合。

步骤3)使用的碳布为经表面修饰的碳布，表面修饰剂为二羟苯丙氨酸的溶液，其浓度为0.10mol/l，碳布表面修饰过程为将碳布浸入二羟苯丙氨酸溶液中15分钟，取出后自然控干其中的溶液，然后常温下使用除尘空气吹干。

实施例3

管道包括管道本体和位于管道本体内表面上的致密层；管道本体由网胎2、碳布4、粘结剂、化学气相沉积层组成；网胎包括通过纤维短切、机械梳理成网、插入垂直网胎面短纤维1制备而成的网胎，如图1所示；网胎和碳布通过压合而相互结合，如图2所示；致密层由喷涂在管道本体上的硅溶胶溶液经化学方法处理形成。碳布为平纹碳布，碳布的面密度为500g/m²。致密层厚度为300μm。粘结剂为沥青。管道的内径为φ500mm，长度为1800mm，壁厚为40mm，密度为1.6g/cm³。得到的碳碳复合材料管道的抗压强度达到380mpa，抗折强度达到230mpa，与采用现有技术制备得到的壁厚为50mm的管道性能相当。

上述薄壁高强度碳碳复合材料管道的制备方法，如图3所示，包括以下步骤：

1)制作模具：按照管道的预订设计规格制作相应的专用模具；

2)制备网胎：采用纤维短切、机械梳理、成网的技术制备网胎主体，再将一定长度的短纤维以垂直或者近似垂直于网胎主体面的方向插入网胎主体，形成网胎，短纤维长度为0.75mm；

3)制作预制件：将步骤2)制备的一层网胎与一层碳布层叠，缠绕在步骤1)制作的专用模具上，缠绕过程中采用压辊方式，压辊与专用模具之间的压力为30n/cm，使网胎与碳布紧密结合，制成需要厚度的碳纤维预制件；

4)固化：将步骤3)得到的碳纤维预制件浸渍粘结剂，浸渍过程中使浸渍空间保持真空度为-80kpa，并将一定强度的超声波施加在粘结剂上，然后加热固化，固化温度为350℃，得到成型的管道毛坯，超声波的频率为25khz，超声功率为45w，超声源与碳纤维预制件的距离为15cm；

5)裁切脱模：用端面裁切设备对管道毛坯裁切端面，并将模具脱出毛坯；

6)沉积增密：将已脱模的管道毛坯放入化学气相沉积炉中沉积增密，缓慢加热升温到沉积温度，通入碳氢气体和稀释气体进行化学气相沉积增密，沉积温度为1000℃，通入碳氢气体和稀释气体进行化学气相沉积增密，保持时间为190小时；

7)加工抛光：待管道毛坯密度达到预定的密度时，再进行内、外表面加工，抛光；

8)喷涂、致密化处理：使用硅溶胶溶液，浓度为0.3mol/l，均匀喷涂在管道的内表面，晾干，再放入化学气相多功能炉中，升温至1800℃并保持4小时，再降温至1250℃，通入碳氢气体和稀释气体，维持9小时，得到致密层。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的技术方案，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。