本发明涉及复合材料管
技术领域：
，特别是指一种耐高温耐冲蚀碳纤维复合材料管及其制备方法。
背景技术：
：高温环境下的冲蚀和磨损是现代高温工业生产设备和军用设备以及航天设备中耐温结构部件和功能部件的主要破坏形式，由于在高温环境下的腐蚀性气流的作用，各种烧蚀和磨损现象长时间存在，严重影响设备的使用稳定性和寿命。其中高温冲蚀磨损在高温结构部件中占到了较高的比例，冲蚀高温问题是材料收到高温小而松散的流动粒子冲击时表面出现破坏的一类现象。而高温气固两相的冲蚀作为破坏的主要形式，广泛存在于现代工业生产中。例如航空发动机的粉尘和沙粒对发动机的冲蚀，气流运输物料在高温下对管路的冲蚀，火力发电厂粉煤尾气对换热器管路的高温冲蚀等。现代高温耐冲蚀材料主要为高温合金中添加w、co、mo等元素基础上制备，不但生产成本高、承受温度相对较低，耐高温腐蚀性相对较差，而且重量大、自身的抵抗变形和破坏的能力相对也较弱。面对这种问题，新型复合材料尤其是碳纤维为增强纤维的复合材料逐渐被各种高温环境结构部件研发者所重视，而采用耐高温和高比强度、高比模量综合性能于一体的多种复合材料结构组合使用，是新型耐温部件发展的趋势。技术实现要素：本发明提供一种耐高温耐冲蚀碳纤维复合材料管及其制备方法，其重量轻，耐高温、耐冲蚀。为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：一方面，本发明提供一种耐高温耐冲蚀碳纤维复合材料管，由内到外依次包括耐烧蚀层、耐冲刷层、高温强度层和保温层，其中：所述耐烧蚀层采用碳纤维增强碳基体复合材料组成，所述碳纤维由三维或二维叠层结构织物制备而成，所述碳基体为高分子材料高温裂解成碳制备而成；所述耐冲刷层由陶瓷基体碳纤维或陶瓷纤维增强复合材料制备而成；所述高温强度层由碳纤维增强耐高温树脂复合材料制备而成；所述保温层采用泡沫基体增强纤维复合材料制备而成。另一方面，本发明还提供一种上述耐高温耐冲蚀碳纤维复合材料管的制备方法，包括：步骤1：耐烧蚀层的制备：采用树脂浸渍二维或三维编织碳纤维织物，树脂经多次浸渍在惰性气体环境下进行碳化，形成碳基体；步骤2：耐冲刷层的制备：在步骤1得到的耐烧蚀层表面采用碳纤维二维织物叠层结构或三维织物结构预制体制备，将陶瓷基体浸渍预制体织物，之后在高温环境下烧结形成陶瓷基体复合材料，整个烧结过程在惰性气体环境下或真空环境下进行；或者，在步骤1得到的耐烧蚀层表面采用陶瓷纤维编织结构预制体制备，将陶瓷纤维浸渍预制体织物形成陶瓷基体复合材料；步骤3：高温强度层的制备：在步骤2得到的耐冲刷层的表面缠绕碳纤维二维或三维编织结构；当缠绕二维织物时，将单束或多束纤维浸渍高温树脂后按一定的缠绕比例均匀缠绕在耐冲刷层上；当缠绕三维织物时，预制体织物按照设定厚度编织完成后，采用树脂基体粘合剂以真空导入或rtm形式与织物浸渍物充分，得到高温强度层；步骤4：保温层的制备：在步骤3得到的高温强度层的表面制备发泡剂烧结的碳纤维增强泡沫复合材料。进一步的，步骤1中，耐烧蚀层的碳纤维为t300、t700、t800或t1000；所用的高温裂解成碳的高分子树脂为酚醛树脂、工业煤沥青、石油沥青、芳基乙炔树脂、呋喃树脂或缩合多核芳香树脂。进一步的，步骤1中，惰性气体为氮气或氩气，所用的碳化温度为1000-3000℃。进一步的，步骤1中，耐烧蚀层的体密度为大于1.8g/cm3，孔隙率小于0.2％，形成的碳基体的含量为30％-50％。进一步的，步骤2中，陶瓷基体为氮化硅、碳化硅、石英、碳化硼或氮化硼；陶瓷纤维为氧化铝、碳化硼、氮化硼、碳化硅或氧化锆；碳纤维为t300、t700、t800或t1000；陶瓷基体的含量为30％-60％。进一步的，步骤3中，碳纤维为t300、t700、t800或t1000。进一步的，步骤3中，高温树脂为酚醛树脂、环氧树脂、聚苯硫醚树脂或聚醚醚酮树脂；树脂浸渍的含量为30％-60％。进一步的，步骤4中，保温层的碳纤维为t300、t700、t800或t1000，泡沫为pmi、泡沫金属铝、泡沫金属镍或泡沫金属铜。进一步的，步骤4中，泡发剂为nh4cl；泡沫的含量为40％-70％。本发明具有以下有益效果：本发明的耐高温耐冲蚀碳纤维复合材料管及其制备方法，由内到外依次包括耐烧蚀层、耐冲刷层、高温强度层和保温层，各层间通过三维或二维编织连接，耐烧蚀层采用碳纤维增强碳基体复合材料组成，耐冲刷层由陶瓷基体碳纤维或陶瓷纤维增强复合材料制备而成，高温强度层由碳纤维增强耐高温树脂复合材料制备而成，保温层采用泡沫基体增强纤维复合材料制备而成，四层结构综合在一起，具有重量轻、刚度大、抗破坏、耐高温、耐冲蚀的综合优异性能，可以广泛用于耐火管道、火箭喷管和武器发射筒状部件等。附图说明图1为本发明的耐高温耐冲蚀碳纤维复合材料管的整体结构示意图，其中，1-耐烧蚀层，2-耐冲刷层，3-高温强度层，4-保温层。具体实施方式为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。一方面，本发明提供一种耐高温耐冲蚀碳纤维复合材料管，如图1所示，由内到外依次包括耐烧蚀层1、耐冲刷层2、高温强度层3和保温层4，其中：耐烧蚀层1采用碳纤维增强碳基体复合材料组成，碳纤维由三维或二维叠层结构织物制备而成，碳基体为高分子材料高温裂解成碳制备而成；耐冲刷层2由陶瓷基体碳纤维或陶瓷纤维增强复合材料制备而成；高温强度层3由碳纤维增强耐高温树脂复合材料制备而成；保温层4采用泡沫基体增强纤维复合材料制备而成。本发明的耐高温耐冲蚀碳纤维复合材料管，由内到外依次包括耐烧蚀层、耐冲刷层、高温强度层和保温层，各层间通过三维或二维编织连接，耐烧蚀层采用碳纤维增强碳基体复合材料组成，耐冲刷层由陶瓷基体碳纤维或陶瓷纤维增强复合材料制备而成，高温强度层由碳纤维增强耐高温树脂复合材料制备而成，保温层采用泡沫基体增强纤维复合材料制备而成，四层结构综合在一起，具有重量轻、刚度大、抗破坏、耐高温、耐冲蚀的综合优异性能，可以广泛用于耐火管道、火箭喷管和武器发射筒状部件等。另一方面，本发明还提供一种上述的耐高温耐冲蚀碳纤维复合材料管的制备方法，包括：步骤1：耐烧蚀层的制备：采用树脂浸渍二维或三维编织碳纤维织物，树脂经多次浸渍在惰性气体环境下进行碳化，形成碳基体；步骤2：耐冲刷层的制备：在步骤1得到的耐烧蚀层表面采用碳纤维二维织物叠层结构或三维织物结构预制体制备，将陶瓷基体浸渍预制体织物，之后在高温环境下烧结形成陶瓷基体复合材料，整个烧结过程在惰性气体环境下或真空环境下进行；或者，在步骤1得到的耐烧蚀层表面采用陶瓷纤维编织结构预制体制备，将陶瓷纤维浸渍预制体织物形成陶瓷基体复合材料；步骤3：高温强度层的制备：在步骤2得到的耐冲刷层的表面缠绕碳纤维二维或三维编织结构；当缠绕二维织物时，将单束或多束纤维浸渍高温树脂后按一定的缠绕比例均匀缠绕在耐冲刷层上；当缠绕三维织物时，预制体织物按照设定厚度编织完成后，采用树脂基体粘合剂以真空导入或rtm形式与织物浸渍物充分，得到高温强度层；步骤4：保温层的制备：在步骤3得到的高温强度层的表面制备发泡剂烧结的碳纤维增强泡沫复合材料。本发明的耐高温耐冲蚀碳纤维复合材料管的制备方法，各层间通过三维或二维编织连接，耐烧蚀层采用碳纤维增强碳基体复合材料组成，耐冲刷层由陶瓷基体碳纤维或陶瓷纤维增强复合材料制备而成，高温强度层由碳纤维增强耐高温树脂复合材料制备而成，保温层采用泡沫基体增强纤维复合材料制备而成，四层结构综合在一起，具有重量轻、刚度大、抗破坏、耐高温、耐冲蚀的综合优异性能，可以广泛用于耐火管道、火箭喷管和武器发射筒状部件等。下面结合具体实施例进行进一步说明本制备方法的特征和细节，但所列过程和数据并不意味着对本发明范围的限制。实施例1：采用耐烧蚀层、耐冲刷层、高温强度层、保温层四层结构组成碳纤维耐高温耐冲蚀管状结构，其中耐烧蚀层采用酚醛树脂浸渍三维四向编织t300碳纤维织物，酚醛树脂经过多次浸渍碳化，碳化温度为2000℃，最终成碳基体含量在40％，孔隙率控制在0.1％，整体耐烧蚀层的体密度在1.8g/cm3；在耐烧蚀层制备完毕后，在其表面采用t800碳纤维二维叠层结构织物增强氮化硅陶瓷制备复合材料，其中陶瓷基体的含量最终控制在50％，整个制备在真空环境下高温烧结，烧结温度在1700℃；在耐冲刷层表面采用二维缠绕t1000碳纤维浸渍复合聚醚醚酮树脂制备高温强度层，在180℃固化2小时成型，其中最终的强度层的树脂含量控制在40％范围；最后在强度层表面制备金属泡沫铝添加nh4cl发泡剂烧结的t300碳纤维增强泡沫复合材料，其中泡沫基体的含量为40％，其中，管的整体厚度为80mm，内径为50mm，管长为1.6m。实施例2：采用耐烧蚀层、耐冲刷层、高温强度层、保温层四层结构组成碳纤维耐高温耐冲蚀管状结构，其中耐烧蚀层采用呋喃树脂浸渍三维四向编织t800碳纤维织物，酚醛树脂经过多次浸渍碳化，碳化温度为1800℃，最终成碳基体含量在42％，孔隙率控制在0.2％，整体耐烧蚀层的体密度在1.8g/cm3；在耐烧蚀层制备完毕后，在其表面采用t700碳纤维二维叠层结构织物增强碳化硅陶瓷制备复合材料，其中碳化硅基体的含量最终控制在40％，整个制备在真空环境下高温烧结，烧结温度在1800℃；在耐冲刷层表面采用三维四向编织t1000碳纤维预制体rtm浸渍复合聚苯硫醚树脂制备高温强度层，在170℃固化3小时成型，其中最终的强度层的树脂含量控制在44％范围；最后在强度层表面制备金属泡沫铝添加nh4cl发泡剂烧结的t800碳纤维增强泡沫复合材料，其中泡沫基体的含量为50％，其中，管的整体厚度为60mm，内径为50mm，管长为1.6m。实施例3：采用耐烧蚀层、耐冲刷层、高温强度层、保温层四层结构组成碳纤维耐高温耐冲蚀管状结构，其中耐烧蚀层采用煤沥青浸渍三维七向编织t300碳纤维织物，沥青经过多次浸渍碳化，碳化温度为2000℃，最终成碳基体含量在50％，孔隙率控制在0.05％，整体耐烧蚀层的体密度在1.8g/cm3；在耐烧蚀层制备完毕后，在其表面采用t700碳纤维三维五向编织结构织物增强碳化硼陶瓷制备复合材料，其中陶瓷基体的含量最终控制在40％，整个制备在真空环境下高温烧结，烧结温度在1900℃。在耐冲刷层表面采用二维缠绕t300碳纤维浸渍复合聚醚醚酮树脂制备高温强度层，在180℃固化2小时成型，其中最终的强度层的树脂含量控制在41％范围；最后在强度层表面制备金属泡沫铝添加nh4cl发泡剂烧结的t300碳纤维增强泡沫复合材料，其中泡沫基体的含量为40％，其中，管的整体厚度为80mm，内径为50mm，管长为1.6m。实施例4：采用耐烧蚀层、耐冲刷层、高温强度层、保温层四层结构组成碳纤维耐高温耐冲蚀管状结构。其中耐烧蚀层采用酚醛树脂浸渍三维四向编织t1000碳纤维织物，酚醛树脂经过多次浸渍碳化，碳化温度为1900℃，最终成碳基体含量在40％，孔隙率控制在0.09％，整体耐烧蚀层的体密度在1.8g/cm3；在耐烧蚀层制备完毕后，在其表面采用t800碳纤维二维叠层结构织物增强氮化硅陶瓷制备复合材料，其中陶瓷基体的含量最终控制在50％，整个制备在真空环境下高温烧结，烧结温度在1750℃。在耐冲刷层表面采用三维六向编织t1000碳纤维浸渍复合环氧树脂制备高温强度层，在170℃固化3小时成型，其中最终强度层的树脂含量控制在50％范围；最后在强度层表面制备金属泡沫镍添加nh4cl发泡剂烧结的t800碳纤维增强泡沫镍复合材料，其中泡沫基体的含量为40％，其中，管的整体厚度为60mm，内径为50mm，管长为1.6m。在本发明中，制备方法的条件不同，得到的耐高温耐冲蚀碳纤维复合材料管的性能会有不同，为更好地证明本发明的性能，构建如下对比例1：对比例1：取与实施例4中管的厚度、内径、长度均相同的添加有co、mo元素的耐高温铝合金管。将实施例1-实施例4以及对比例1进行自重对比，并采用气流喷砂式进行冲蚀性试验，对实施例1-4以及对比例1中的管进行冲蚀试验，粒子种类采用sic，重量为1kg，攻角为25°，速度为70m/s，接触时间为3min；将实施例1-4以及对比例1中的管在空气中进行马丁耐热试验，得到耐热温度，结果见表1：表1检验项目实施例1实施例2实施例3实施例4对比例1自重，kn/m317.818.618.318.137.5冲蚀结果无磨损无磨损无磨损无磨损磨损明显耐热温度，℃405401387395147由表1可知，本发明的耐高温耐冲蚀碳纤维复合材料管对比例1相比，其自重较轻，仅为耐高温铝合金管的一半左右，但是其耐冲蚀、耐高温性能却大有提高。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12