专利名称：一种高强高韧碳/碳复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种碳/碳复合材料的制备方法，特别是一种高强高韧碳/碳复合材
料的化学气相渗制备方法。
背景技术：
碳/碳复合材料是一种以碳纤维增强碳基体的先进复合材料。它的整个体系由单 一碳元素构成，具有质量轻、比强度高、热膨胀系数低、尺寸稳定性好、耐腐蚀等优异性能。 特别是其高温力学性能尤显突出，在200(TC温度以下，其强度随温度的升高不仅不下降，反 而有所升高，因此是一种非常优异的高温结构材料。由于上述独特性能，高强高韧碳/碳复 合材料在航空、航天、热加工等领域具有广阔的应用前景。 获得高强高韧碳/碳复合材料的前提条件是仅可能保留增强体碳纤维和基体碳 的力学性能。化学气相渗碳是制备高性能碳/碳复合材料的首选方法，该方法制备的基体 热解碳具有结构均匀、完整、致密性好等优点。但现有化学气相渗碳工艺不适用于制备高 强高韧碳/碳复合材料。其原因有二 首先，现有化学气相渗碳工艺需要预先对碳纤维预 制体实施石墨化处理，处理温度1800-230(TC，这种高温处理对碳纤维产生损伤，降低复合 材料中增强体碳纤维的力学性能；其次，也是更重要的原因，采用现有化学气相渗碳工艺制 备碳/碳复合材料，必须进行中间石墨化处理和机加工去皮处理。因为，现有化学气相渗碳 工艺对碳纤维预制体的增密过程是一种非均匀的增密过程，碳纤维预制体增密到一定程度 (如表观密度1.3g/cm3)时，将导致材料内部产生闭孔，阻碍气流通过，使后续增密过程无法 进行。只有借助高温石墨化处理，打通闭孔，并采用机加工去除表面结壳，形成新的气流通 道，才能继续实施化学气相渗碳增密。这种中间石墨化处理温度一般为2300°C ，通常需进行 3-6次，才能制备出表观密度为1. 76g/cm3以上的碳/碳复合材料。中间石墨化处理对碳/ 碳复合材料中的碳纤维和基体热解碳的力学性能均产生不利影响，其结果是严重降低复合 材料的力学性能，以抗弯强度为例，难以达到200MPa，远低于碳纤维本身的强度lOOOMPa以 上。 综上，碳纤维预制体的预石墨化处理、碳/碳复合材料的中间石墨化处理及最终 石墨化处理是导致碳/碳复合材料力学性能欠佳的主要原因。为充分利用碳纤维的增强效 果，保留基体热解碳的力学性能，获得高强高韧碳/碳复合材料，必须剔除制备工艺流程中 的石墨化处理工序。
发明目的 本发明的目的在于提供一种不包含碳纤维预制体的预石墨化处理、碳/碳复合材 料的中间石墨化处理及最终石墨化处理工序的高强高韧碳/碳复合材料的化学气相渗碳 制备方法。 本发明是采用下述方案实现的 1)将碳纤维预制体置于化学气相渗碳炉中，预制体预先不经过高温石墨化处理；
2)抽真空、快速升温化学气相渗碳炉，加热碳纤维预制体，脱除预制体中碳纤维表面的涂胶层，控制真空度不大于0. 08kPa、升温速度为30-32°C /min ; 3)以(:3116为碳源气、^为稀释气，实施化学气相渗碳，控制(:3116 : ^体积比为 1 : 1 3、炉温为900 1200。C、炉压为7 21kPa ; 4)连续化学气相渗碳80-100h后，随炉冷却即得本发明的高强高韧碳/碳复合材 料。 本发明中，所述待增密碳纤维预制体可以是碳纤维针剌整体毡或碳纤维三维穿剌 毡中的一种，毡体的表观密度为0. 2g/cm3 0. 8g/cm3。 本发明中，所述高强高韧碳/碳复合材料的基体碳为光滑层结构热解碳。 本发明中，所述高强高韧碳/碳复合材料在制备过程中不经过中间石墨化处理。 本发明中，所述高强高韧碳/碳复合材料不经过最终石墨化处理。 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 1、采用7 21kPa的高炉压，保证碳/碳复合材料的均匀化学气相渗碳，避免闭孔产生。 2、剔除碳纤维预制体的预石墨化处理、碳/碳复合材料的中间石墨化处理及最终 石墨化处理工序，最大限度保留碳纤维和基体热解碳的力学性能。 3、采用本发明，以表观密度为0. 6g/cm3的碳纤维针剌整体毡为预制体，经100h化 学气相渗碳，即可制备表观密度为1. 75g/cm3的碳/碳复合材料，其抗弯强度达到300MPa以 上。 综上所述，本发明-一 一种高强高韧碳/碳复合材料的制备方法，剔除碳纤维预制 体的预石墨化处理、碳/碳复合材料的中间石墨化处理及最终石墨化处理工序，解决了长 期以来本领域迫切希望解决而未能解决的问题，为高强高韧碳/碳复合材料的制备提供了 一种切实可行的方法。
附图1为现有化学气相渗碳制备碳/碳复合材料工艺流程图； 附图2为本发明实施工艺流程图； 附图3为采用本发明制备的碳/碳复合材料工件； 附图4为采用本发明制备的碳/碳复合材料微观组织结构。
具体实施方式
实施例1 将表观密度为0. 8g/cm3的碳纤维针剌整体毡置于化学气相渗碳炉中，预制体预先 不经过高温石墨化处理。抽真空、快速升温化学气相渗碳炉，加热碳纤维预制体，脱除预制 体中碳纤维表面的涂胶层，控制真空度不大于0. 08kPa、升温速度为30°C /min。以C3H6为 碳源气、^为稀释气，实施化学气相渗碳，控制(:3116 : ^体积比为1 : 1、炉温为92(TC、炉 压为7kPa。连续化学气相渗碳100h后，随炉冷却即得本发明的高强高韧碳/碳复合材料。
实施例2 将表观密度为0. 6g/cm3的碳纤维针剌整体毡置于化学气相渗碳炉中，预制体预先 不经过高温石墨化处理。抽真空、快速升温化学气相渗碳炉，加热碳纤维预制体，脱除预制体中碳纤维表面的涂胶层，控制真空度不大于0. 08kPa、升温速度为30°C /min。以C3H6为
碳源气、^为稀释气，实施化学气相渗碳，控制(:3116 : ^体积比为i : 1.5、炉温为i020°c、
炉压为llkPa。连续化学气相渗碳lOOh后，随炉冷却即得本发明的高强高韧碳/碳复合材 料。 实施例3 将表观密度为0. 5g/cm3的碳纤维针剌整体毡置于化学气相渗碳炉中，预制体预先 不经过高温石墨化处理。抽真空、快速升温化学气相渗碳炉，加热碳纤维预制体，脱除预制 体中碳纤维表面的涂胶层，控制真空度不大于0. 08kPa、升温速度为30°C /min。以C3H6为 碳源气、^为稀释气，实施化学气相渗碳，控制(:3116 : ^体积比为1 : 1.8、炉温为1050°C、 炉压为14kPa。连续化学气相渗碳100h后，随炉冷却即得本发明的高强高韧碳/碳复合材 料。 实施例4 将表观密度为0. 4g/cm3的碳纤维针剌整体毡置于化学气相渗碳炉中，预制体预先 不经过高温石墨化处理。抽真空、快速升温化学气相渗碳炉，加热碳纤维预制体，脱除预制 体中碳纤维表面的涂胶层，控制真空度不大于0. 08kPa、升温速度为30°C /min。以C3H6为 碳源气、^为稀释气，实施化学气相渗碳，控制(:3116 : ^体积比为1 : 2. 1、炉温为IIO(TC、 炉压为16kPa。连续化学气相渗碳100h后，随炉冷却即得本发明的高强高韧碳/碳复合材 料。 实施例5 将表观密度为0. 2g/cm3的碳纤维针剌整体毡置于化学气相渗碳炉中，预制体预先 不经过高温石墨化处理。抽真空、快速升温化学气相渗碳炉，加热碳纤维预制体，脱除预制 体中碳纤维表面的涂胶层，控制真空度不大于0. 08kPa、升温速度为31°C /min。以C3H6为 碳源气、^为稀释气，实施化学气相渗碳，控制(:3116 : ^体积比为1 : 3、炉温为118(TC、炉 压为21kPa。连续化学气相渗碳90h后，随炉冷却即得本发明的高强高韧碳/碳复合材料。
实施例6 将表观密度为0. 8g/cm3的碳纤维三维穿剌毡置于化学气相渗碳炉中，预制体预先 不经过高温石墨化处理。抽真空、快速升温化学气相渗碳炉，加热碳纤维预制体，脱除预制 体中碳纤维表面的涂胶层，控制真空度不大于0. 08kPa、升温速度为30°C /min。以C3H6为 碳源气、^为稀释气，实施化学气相渗碳，控制(:3116 : ^体积比为1 : 1、炉温为92(TC、炉 压为7kPa。连续化学气相渗碳100h后，随炉冷却即得本发明的高强高韧碳/碳复合材料。
实施例7 将表观密度为0. 6g/cm3的碳纤维三维穿剌毡置于化学气相渗碳炉中，预制体预先 不经过高温石墨化处理。抽真空、快速升温化学气相渗碳炉，加热碳纤维预制体，脱除预制 体中碳纤维表面的涂胶层，控制真空度不大于0. 08kPa、升温速度为30°C /min。以C3H6为
碳源气、^为稀释气，实施化学气相渗碳，控制(:3116 : ^体积比为i : 1.5、炉温为i020°c、
炉压为llkPa。连续化学气相渗碳lOOh后，随炉冷却即得本发明的高强高韧碳/碳复合材 料。 实施例8 将表观密度为0. 5g/cm3的碳纤维三维穿剌毡置于化学气相渗碳炉中，预制体预先不经过高温石墨化处理。抽真空、快速升温化学气相渗碳炉，加热碳纤维预制体，脱除预制体中碳纤维表面的涂胶层，控制真空度不大于0. 08kPa、升温速度为30°C /min。以C3H6为碳源气、^为稀释气，实施化学气相渗碳，控制(:3116 : ^体积比为1 : 1.8、炉温为IIO(TC、炉压为13kPa。连续化学气相渗碳100h后，随炉冷却即得本发明的高强高韧碳/碳复合材料。 实施例9 将表观密度为0. 4g/cm3的碳纤维三维穿剌毡置于化学气相渗碳炉中，预制体预先不经过高温石墨化处理。抽真空、快速升温化学气相渗碳炉，加热碳纤维预制体，脱除预制体中碳纤维表面的涂胶层，控制真空度不大于0.08kPa、升温速度为32tVmin。以C3H6为碳源气、^为稀释气，实施化学气相渗碳，控制(:3116 : ^体积比为1 : 2.4、炉温为114(TC、炉压为16kPa。连续化学气相渗碳80h后，随炉冷却即得本发明的高强高韧碳/碳复合材料。
权利要求
一种高强高韧碳/碳复合材料的制备方法，包括下述步骤1)将碳纤维预制体置于化学气相渗碳炉中，预制体预先不经过高温石墨化处理；2)抽真空、快速升温化学气相渗碳炉，加热碳纤维预制体，脱除预制体中碳纤维表面的涂胶层，控制真空度不大于0.08kPa、升温速度为30-32℃/min；3)以C3H6为碳源气、N2为稀释气，实施化学气相渗碳，控制C3H6∶N2体积比为1∶1～3、炉温为900～1200℃、炉压为7～21kPa；4)连续化学气相渗碳80-100h后，随炉冷却即得本发明的高强高韧碳/碳复合材料，基体碳为C3H6分解沉积于碳纤维上得到的热解碳。
2. 根据权利要求1所述的高强高韧碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于所述碳 纤维预制体是碳纤维针剌整体毡或碳纤维三维穿剌毡中的一种，毡体的表观密度为0. 2g/
3.根据权利要求1所述的高强高韧碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于所述高 强高韧碳/碳复合材料的基体碳为光滑层结构热解碳。
全文摘要
一种高强高韧碳/碳复合材料的制备方法，包括下述步骤将碳纤维预制体置于化学气相渗碳炉中，预制体预先不经过高温石墨化处理；抽真空、快速升温化学气相渗碳炉，加热碳纤维预制体，脱除预制体中碳纤维表面的涂胶层，控制真空度不大于0.08kPa、升温速度为30-32℃/min；以C3H6为碳源气、N2为稀释气，实施化学气相渗碳，控制C3H6∶N2体积比为1∶1～3、炉温为900～1200℃、炉压为7～21kPa；连续化学气相渗碳80-100h后，随炉冷却即得本发明的高强高韧碳/碳复合材料。本发明解决了长期以来本领域的碳纤维预制体需要预石墨化处理、碳/碳复合材料的中间石墨化处理及最终石墨化处理工序问题，为高强高韧碳/碳复合材料的制备提供了一种切实可行的方法。
文档编号C04B35/83GK101717269SQ200910044769
公开日2010年6月2日 申请日期2009年11月18日 优先权日2009年11月18日
发明者于澍, 夏莉红, 张福勤, 梁世栋, 欧孝玺 申请人:中南大学