一种碳/碳-钼复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种碳/碳-钼复合材料的制备方法，特别是一种短碳纤维增强碳/碳-钼复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]钼是一种难熔金属，熔点为2620°C，具有膨胀系数小、导电率高、导热系数高、耐酸碱腐蚀等优点，在宇航、冶金、电气、化工等领域应用广泛，是一种不可替代的战略物质。但钼作为一种金属材料，当温度超过1000°c左右后，其高温下的力学性能急剧下降。而碳/碳复合材料是一种碳纤维增强碳基体的先进复合材料，具有特别优异的高温力学性能，其在2000°C以上的力学性能与室温力学性能相当，是目前唯一可用于2000°C以上的高温结构材料，其缺点是极易氧化，当温度超过500°C时即快速氧化失效。
[0003]在现有技术中，还未见关于碳/碳-钼复合材料的记载。
【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短碳纤维增强碳/碳-钼复合材料的制备方法。本发明采用粉末冶金方法，将短碳纤维加入钼金属中，通过控制模压成型、脱脂、预烧、烧结工艺，制备短碳纤维增强碳/碳-钼复合材料。
[0005]本发明一种碳/碳-钼复合材料的制备方法，包括下述步骤:
[0006]步骤一
[0007]将钼粉、短碳纤维混合均匀后，压制成形，得到复合材料坯体；
[0008]步骤二
[0009]在保护气氛下，对步骤一所得复合材料坯体进行预烧，预烧后随炉冷却，得到预烧坯；所述预烧的温度为1090-1110°C ；
[0010]步骤三
[0011]在保护气氛下，将步骤二所得预烧坯进行烧结，得到碳/碳-钼复合材料；所述烧结的温度为1850-1870 °C。
[0012]本发明一种碳/碳-钼复合材料的制备方法，步骤一中，所述钼粉的纯度多99% ;其粒度100-130微米。
[0013]本发明一种碳/碳-钼复合材料的制备方法，步骤一中，所述短纤维为表面沉积热解碳的短碳纤维。
[0014]本发明一种碳/碳-钼复合材料的制备方法，步骤一中，所述短纤维为表面沉积热解碳层的短碳纤维；所述热解碳层的厚度为2-3 μm。
[0015]本发明一种碳/碳-钼复合材料的制备方法，步骤一中，所述短碳纤维的长度为2_3mm、优选为2.5_3mm、进一步优选为3mm，直径为6.5-7.5 μ m、优选为6.5-7 μ m、进一步优选为7 μ??ο
[0016]本发明一种碳/碳-钼复合材料的制备方法，步骤一中所述钼粉与短碳纤维的质量比为50-200:lo
[0017]本发明一种碳/碳-钼复合材料的制备方法，步骤一中压制成形时控制压力为280-310MPa。
[0018]本发明一种碳/碳-钼复合材料的制备方法，步骤二中，所述预烧的制度为:以4-60C /min的升温速率，从室温升至350°C，保温15_20min后，继续升温至750°C，保温15-20min 后，继续升温至 950°C，保温 15_20min 后，升温至 1090_1110°C，保温 120_150min。
[0019]本发明一种碳/碳-钼复合材料的制备方法，步骤二、三中所述保护气氛选自氢气气氛、氩气中的一种，优选为氢气气氛。保护气氛的压力为为微正压。
[0020]本发明一种碳/碳-钼复合材料的制备方法，所述烧结的制度为::以3-4°C /min的升温速率，从室温升至1200°C，保温Ih后，继续升温至1500°C，保温2h后，继续升温至17000C，保温2h后，升温至1850°C，保温4_5h。
[0021]为了达到更好的效果，将钼粉、短碳纤维混合时，一般采用球磨混料，所述球磨的方案为:
[0022]将按质量比，钼粉:PAA:酒精=0.8:2:1配取钼粉、PAA、酒精置于球磨机内球磨6-8h ;然后按质量比，钼粉:短碳纤维=50-200:1，优选为100-120:1、短碳纤维:球磨助剂=20-80:1，优选为100:3.8，加入短碳纤维和球磨助剂，继续球磨16_18h后，取出浆液，浆液经干燥后研磨得到粒度为100-130的混合粉末；所述球磨助剂由甘油和硬脂酸锌按质量2:1组成。
[0023]所述PAA (丙烯酸树脂)的分子量为800-1000。
[0024]球磨混料后，所得混合粉末在280_310Mpa压制成形，得到复合材料坯体。由于球磨过程中引入了有机物；为了达到更好的效果必须进行脱脂处理；所述脱脂处理是:将复合材料坯体埋入粒度为100-200目的中性氧化铝粉末中，以0.5-10C /min的升温速率，升温至150°C，保温90-100min后，继续升温至200°C，保温90_100min ;然后在升温至250°C，保温90-100min后，升温至300°C，保温90_100min后，升温至350°C，并在350 °C保温时间2~2.5h0
[0025]在实际生产中，为了得到性能优良的碳/碳-钼复合材料，一般按下述步骤操作:
[0026]步骤A
[0027]将按质量比，钼粉:PAA:酒精=0.8:2:1配取钼粉、PAA、酒精置于球磨机内球磨6-8h ;然后按质量比，钼粉:短碳纤维=50-200:1、短碳纤维:球磨助剂=20-80:1，加入短碳纤维和球磨助剂，继续球磨16-18h后，取出浆液，浆液经干燥后研磨得到粒度为100-130微米的混合粉末，再将所述混合粉末在280-310MPa下压制成形，得到复合材料坯体；所述球磨助剂由甘油和硬脂酸锌按质量2:1组成；所述PAA(丙烯酸树脂)的分子量为800-1000 ；
[0028]步骤B
[0029]将步骤A所得复合材料坯体埋入粒度为100-200目的中性氧化铝粉末中，以0.5-10C /min的升温速率，升温至150 °C，保温90-100min后，继续升温至200 °C，保温90-100min ;然后在升温至250°C，保温90_100min后，升温至300°C，保温90_100min后，升温至350°C，并在350°C保温时间2-2.5h，冷却，得到脱脂的复合材料坯体；
[0030]步骤C
[0031]将步骤B所得脱脂的复合材料坯体进行预烧，预烧后随炉冷却，得到预烧坯；所述预烧的制度为:以4-6°C /min的升温速率，从室温升至350°C，保温15_20min后，继续升温至750°C，保温15-20min后，继续升温至950°C，保温15_20min后，升温至1090_1110°C，保温 120-150min ；
[0032]步骤D
[0033]在氢气气氛下，将步骤C所得预烧坯进行烧结，得到碳/碳-钼复合材料；所述烧结的制度为:以3-4°C /min的升温速率，从室温升至1200°C，保温Ih后，继续升温至15000C，保温2h后，继续升温至1700°C，保温2h后，升温至1850°C，保温4_5h。
[0034]本发明一种碳/碳-钼复合材料的制备方法，球磨时，控制转速为150-450转/min。
[0035]本发明一种碳/碳-钼复合材料的制备方法，所制备的碳/碳-钼复合材料的密度为 1.8-1.9g/cm3。
[0036]优点及积极效果
[0037]本发明将表面沉积热解碳的短碳纤维作为第二相引入金属钼基体中，使金属钼的耐腐蚀、抗氧化与碳/碳复合材料的高温力学性能相结合，制备具有优异综合性能的短碳纤维增强碳/碳-钼复合材料。
[0038]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:
[0039]1、本发明的碳/碳-钼复合材料中，碳纤维弥散交联分布于钼基体之中，对钼基材料形成钉扎作用，达到增强钼金属复合材料的目的。
[0040]2、本发明的碳/碳-钼复合材料中，部分钼与碳纤维表面热解碳反应生成Mo2C,促进钼与碳纤维的冶金结合，起到进一步的增强作用。
[0041]3、本发明的碳/碳-钼复合材料结合了钼的耐腐蚀、抗氧化与碳/碳复合材料的高温力学性能。
[0042]4、本发明采用短碳纤维作为增强体，相比于连续碳纤维，具有价格低廉、制备工艺简单等优点，易于实现碳/碳-钼复合材料的低成本制备。
[0043]5、采用本发明，将质量百分数为1.8%、长度为3mm、表面沉积热解碳后直径为12μπι的短碳纤维与钼粉混合，通过300Mpa的压力模压成型、350°C脱脂、1100°C预烧、1850°C烧结，即制备出密度为1.82g/cm3的碳/碳-钼复合材料。
【附图说明】
[0044]附图1为本发明制备碳/碳-钼复合材料的最佳工艺流程图；
[0045]附图2为本发明实施例2所制备的的碳/碳-钼复合材料微观组织结构图。
[0046]从图1中，可以看出本发明的最佳工艺流程。
[0047]图2中，I为短碳纤维，2为钼基体。
【具体实施方式】
[0048]本发明实施例中所述球磨助剂由甘油和硬脂酸锌按质量2:1组成；
[0049]本发明实施例中球磨时，控制球磨转速为200-300转/min ；
[0050]实施例1:
[0051](I)将钼粉、PAA以及酒精按质量比0.8:2:1混合后球磨7h，然后按按质量比碳纤维:球磨助剂(球磨助剂为甘油+硬脂酸锌)=100:3.8加入碳纤维、(甘油+硬脂酸锌)球磨17h，将球磨后的固液混合物干燥24h研磨制得粒度为100微米的粉末，采用300Mpa的压力，模压成型制备复合材料坯体。控制碳纤维:
[0052]长度:3mm;
[0053]直径:7μ m ;
[0054]表面沉积热解碳后直径:13 μπι ;
[0055]质量百分数:0.5%。
[0056](2)以粒度为100-200目的中性氧化铝粉末作为填料，采用马弗炉埋烧所述坯体，控制加热温度为350°C、保温时间为2h，随炉冷却完成脱脂。控制脱脂升温工艺:150°C、200 °C、250 °C、300 °C各阶段的升温速率为1°C /min、保温时间为90min，350°C保温时间为2h。
[0057](3)将脱脂后的坯体置于马弗炉中，在氢气保护下预烧，控制加热温度为1100°C、保温时间为120min，随炉冷却完成预烧。控制预烧升温工艺:350°C、750°C、950°C各阶段的升温速率为4°C /min、保温时间为20min，1100°C保温时间为120min。
[0058](4)将预烧坯体置于氢气保护炉中烧结，控制加热温度为1850°C、保温时间为5h，随炉冷却完成烧结，控制烧结升温工艺:1200 0C、1500 0C、1700 V各阶段的升温时间分别为5h、3h、2h、l.5h，保温时间分别为lh、2h、2h、5h，即制备出密度为1.80g/cm3的碳/碳-钼复合材料。
[0059]实施例2:
[0060](I)将钼粉、PAA以及酒精按质量比0.8:2:1混合后球磨6h，然后按按质量比碳纤维:球磨助剂(球磨助剂为甘油+硬脂酸锌)=100:3.8，加入碳纤维、(甘油+硬脂酸锌)球磨16h，将球磨后的固液混合物干燥24h研磨制得粒度为110微米的粉末，采用310Mpa的压力，模压成型制备复合材料坯体。控制碳纤维:
[0061]长度:2mm;
[0062]直径:7μ m ;
[0063]表面沉积热解碳后直径:12 μπι ;
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