專(zhuān)利名稱：碳－碳/鋁復(fù)合材料用碳－碳預(yù)制件的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳-碳/鋁復(fù)合材料用碳-碳預(yù)制件的制備方法，特別涉及一種制備高導(dǎo)熱、低膨脹碳-碳/鋁復(fù)合材料用的碳-碳預(yù)制件的制備方法，屬無(wú)機(jī)復(fù)合材料制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高模量、高導(dǎo)熱、低熱膨脹等優(yōu)良的綜合性能，在航天航空、電子信息、精密儀器等領(lǐng)域有十分重要的應(yīng)用前景。目前，公知的碳/鋁復(fù)合材料制備方法是在高溫下將碳纖維預(yù)制件和鋁復(fù)合在一起，所使用的碳纖維預(yù)制件的一個(gè)主要問(wèn)題是制成的碳纖維預(yù)制件自身強(qiáng)度較差，主要依靠框架、模具等外部手段保持預(yù)制件結(jié)構(gòu)和孔隙率；在隨后與鋁復(fù)合的工藝過(guò)程中，在壓力、鋁液滲入等因素的影響下，碳纖維預(yù)制件易發(fā)生變形，從而降低了纖維分布的均勻性，不利于制備高性能的復(fù)合材料。另一方面，在碳纖維無(wú)涂層保護(hù)的條件下，為了控制碳鋁間的界面反應(yīng)，需要嚴(yán)格控制各種工藝參數(shù)，從而使得對(duì)制備工藝條件的要求特別苛刻，從而影響了碳/鋁復(fù)合材料的迅速發(fā)展及應(yīng)用。
目前碳/鋁復(fù)合材料研究的重點(diǎn)大多數(shù)集中在優(yōu)化碳/鋁的制備工藝參數(shù)和纖維表面鍍層上，如金屬鍍層、硅鍍層等。目前尚未見(jiàn)到采用以碳-碳為預(yù)制件制備碳-碳/鋁復(fù)合材料的相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能防止碳/鋁界面反應(yīng)、并具有一定強(qiáng)度的碳-碳預(yù)制件的制備方法。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)措施和手段來(lái)達(dá)到的本發(fā)明的一種碳—碳/鋁復(fù)合材料用碳—碳預(yù)制件的制備方法，其特征在于該方法包括以下工藝步驟a.預(yù)制件骨架材料的準(zhǔn)備以針刺或編織技術(shù)將纖維制成預(yù)制件骨架，預(yù)制件骨架可采用下述三種結(jié)構(gòu)中的任一種，即碳纖維整體氈、或聚丙烯腈預(yù)氧化纖維(PANOF)整體氈、或碳纖維和纖維網(wǎng)交替疊層結(jié)構(gòu)；b.對(duì)預(yù)制件骨架材料進(jìn)行熱處理在熱處理爐中將預(yù)制件骨架升溫至970～1000℃進(jìn)行熱處理，保溫2小時(shí)；
c.將處理過(guò)的預(yù)制件骨架進(jìn)行化學(xué)氣相滲透將預(yù)制件骨架放在化學(xué)氣相滲透爐中，以C3H6為前驅(qū)體，在高溫條件下熱解，形成熱解碳，滲入到預(yù)制件骨架材料中并沉積于碳纖維表面；熱解溫度為980～1010℃，爐壓為1333Pa，氣體流量為450～500ml/min，熱解時(shí)間為150～180小時(shí)，這樣可制備得到具有一定強(qiáng)度的碳纖維和熱解碳的復(fù)合體；d.對(duì)上述預(yù)制件進(jìn)行高溫?zé)崽幚頍崽幚頊囟葹?200～2300℃，保溫3～4小時(shí)；使碳-碳預(yù)制件中的雜質(zhì)元素逸出；提高其性能。
上述的化學(xué)氣相滲透爐中送入的前驅(qū)體氣體還可以是C2H4、C2H6、CH4中的任一種。
上述的被制成的碳—碳預(yù)制件的密度為0.6～1.0g/cm3。
本發(fā)明方法制得的碳-碳預(yù)制件的結(jié)構(gòu)均勻、內(nèi)部含有大量的孔隙，與鋁基體復(fù)合，可制備出高性能的碳-碳/鋁復(fù)合材料。
本發(fā)明的有益效果一方面，通過(guò)化學(xué)氣相滲透工藝使預(yù)制體骨架保持成型時(shí)的結(jié)構(gòu)，并使得預(yù)制件具有一定強(qiáng)度，減少了預(yù)制件與鋁復(fù)合工藝中的變形。另一方面，制備得到的碳纖維和熱解碳復(fù)合體可防止高溫下與鋁復(fù)合發(fā)生界面反應(yīng)。
本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，制作方便而且成本較低。
具體實(shí)施方法現(xiàn)將本發(fā)明的實(shí)施例敘述于后。
實(shí)施例一本實(shí)施例的預(yù)制件骨架材料采用以針刺工藝技術(shù)制備的聚丙烯腈預(yù)氧化纖維(PANOF)整體氈，具體工藝步驟如下a.準(zhǔn)備好聚丙烯腈預(yù)氧化纖維(PANOF)整體氈，密度為0.21g/cm3；b.在熱處理爐中將上述PANOF整體氈升溫至990℃進(jìn)行熱處理，保溫2小時(shí)；c.將上述熱處理過(guò)的預(yù)制件骨架放在化學(xué)氣相滲透爐中，以C3H6為前驅(qū)體，在高溫條件下熱解，熱解溫度為1000℃，爐壓為1333Pa，氣體流量為500ml/min，熱解時(shí)間為180小時(shí)。
d.將上述預(yù)制件在高溫?zé)崽幚頎t中進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，熱處理溫度?200℃，保溫3小時(shí)。
經(jīng)以上工藝制備得到密度為0.64g/cm3的碳-碳預(yù)制件。這種結(jié)構(gòu)的碳-碳預(yù)制件與鋁復(fù)合后得到的碳-碳/鋁復(fù)合材料的性能為彎曲強(qiáng)度為148.7MPa，彎曲模量為32.6GPa，平面熱膨脹系數(shù)為4.6×10-6，平面熱導(dǎo)率為272W/mK。它與MMCC(美國(guó))公司使用K1100高導(dǎo)熱纖維制備的2D2碳/鋁材料熱導(dǎo)率相當(dāng)，使用熱導(dǎo)率為1100W/mK的高導(dǎo)熱碳纖維制成2D預(yù)制件與鋁復(fù)合制備的碳/鋁材料的性能為平面熱膨脹系數(shù)為2.8×10-6，熱導(dǎo)率為280W/mK。使用這種高導(dǎo)熱碳纖維制成3D預(yù)制件與鋁復(fù)合制備的碳/鋁材料的性能為平面熱膨脹系數(shù)為5.5×10-6，熱導(dǎo)率為226W/mK。
實(shí)施例二本實(shí)施例的預(yù)制件骨架采用針刺工藝技術(shù)制備碳纖維整體氈，其具體工藝如下a.準(zhǔn)備好上述碳纖維整體氈，密度為0.30g/cm3；b.在熱處理爐中將碳纖維整體氈升溫至980℃進(jìn)行熱處理，保溫2小時(shí)；c.將預(yù)制件骨架放在化學(xué)氣相滲透爐中，以C3H6為前驅(qū)體，熱解溫度為1000℃，爐壓為1333Pa，氣體流量為490ml/min，熱解時(shí)間為180小時(shí)。
d.將上述碳-碳預(yù)制件在高溫?zé)崽幚頎t中對(duì)碳-碳預(yù)制件進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，熱處理溫度?300℃，保溫3小時(shí)。
經(jīng)以上工藝制備得到密度為0.78g/cm3的碳-碳預(yù)制件。這種結(jié)構(gòu)的碳-碳預(yù)制件與鋁復(fù)合后得到的碳-碳/鋁復(fù)合材料的性能為彎曲強(qiáng)度為308.5MPa，彎曲模量為60.3GPa，平面熱膨脹系數(shù)為2.9×10-6，平面熱導(dǎo)率為192W/mK。
實(shí)施例三本實(shí)施例的預(yù)制件骨架采用針刺工藝技術(shù)制備碳纖維和纖維網(wǎng)交替疊層結(jié)構(gòu)的預(yù)制件骨架，其具體工藝如下a.準(zhǔn)備好上述碳纖維和纖維網(wǎng)交替疊層結(jié)構(gòu)物，其密度為0.47g/cm3；b.在熱處理爐中將預(yù)制件骨架升溫至990℃進(jìn)行熱處理，保溫2小時(shí)；c.將預(yù)制件骨架放在化學(xué)氣相滲透爐中，以C3H6為前驅(qū)體，熱解溫度為1000℃，爐壓為1333Pa，氣體流量為450ml/min，熱解時(shí)間為170小時(shí)。
d.將上述碳—碳預(yù)制件在高溫?zé)崽幚頎t中進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚瑹崽幚頊囟葹?200℃，保溫3小時(shí)。
經(jīng)以上工藝制備得到密度為0.91g/cm3的碳-碳預(yù)制件。這種結(jié)構(gòu)的碳-碳預(yù)制件與鋁復(fù)合后得到的碳-碳/鋁復(fù)合材料的性能為彎曲強(qiáng)度為711.4MPa，彎曲模量為113.7GPa，平面熱膨脹系數(shù)為1.5×10-6，平面熱導(dǎo)率為135W/mK。
綜合上述實(shí)施例試樣的性能測(cè)試，根據(jù)本發(fā)明方法制備的碳—碳/鋁復(fù)合材料完全能滿足熱量控制材料對(duì)高導(dǎo)熱的要求。而且屬于一種高導(dǎo)熱、低膨脹性能要求范圍內(nèi)的復(fù)合材料。本發(fā)明方法制得的碳—碳復(fù)合材料的成本可降低，而且使工藝簡(jiǎn)化，操作方便。
權(quán)利要求
1.一種碳-碳/鋁復(fù)合材料用碳-碳預(yù)制件的制備方法，其特征在于該方法包括以下工藝步驟a.預(yù)制件骨架材料的準(zhǔn)備以針刺或編織技術(shù)將纖維制成預(yù)制件骨架，預(yù)制件骨架可采用下述三種結(jié)構(gòu)中的任一種，即碳纖維整體氈、或聚丙烯腈預(yù)氧化纖維整體氈、或碳纖維和纖維網(wǎng)交替疊層結(jié)構(gòu)；b.對(duì)預(yù)制件骨架材料進(jìn)行熱處理在熱處理爐中將預(yù)制件骨架升溫至970～1000℃進(jìn)行熱處理，保溫2小時(shí)；c.將處理過(guò)的預(yù)制件骨架進(jìn)行化學(xué)氣相滲透將預(yù)制件骨架放在化學(xué)氣相滲透爐中，以C3H6為前驅(qū)體，在高溫條件下熱解，形成熱解碳，滲入到預(yù)制件骨架材料中并沉積于碳纖維表面；熱解溫度為980～1010℃，爐壓為1333Pa，氣體流量為450～500ml/min，熱解時(shí)間為150～180小時(shí)，這樣可制備得到具有一定強(qiáng)度的碳纖維和熱解碳的復(fù)合體；d.對(duì)上述預(yù)制件進(jìn)行高溫?zé)崽幚頍崽幚頊囟葹?200～2300℃，保溫3～4小時(shí)；使碳-碳預(yù)制件中的雜質(zhì)元素逸出；提高其性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳-碳/鋁復(fù)合材料用碳-碳預(yù)制件的制備方法，其特征在于所述的化學(xué)氣相滲透爐中送入的前驅(qū)體氣體是C2H4、C2H6、CH4中的任一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳-碳/鋁復(fù)合材料用碳-碳預(yù)制件的制備方法，其特征在于所述的被制成的碳-碳預(yù)制件的密度為0.6～1.0g/cm3。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳－碳/鋁復(fù)合材料用碳—碳預(yù)制件的制備方法，特別涉及一種制備高導(dǎo)熱、低膨脹碳－碳/鋁復(fù)合材料用的碳－碳預(yù)制件的制備方法，屬無(wú)機(jī)復(fù)合材料制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的一種碳—碳/鋁復(fù)合材料用碳—碳預(yù)制件的制備方法，包括以下工藝步驟預(yù)制件骨架材料的準(zhǔn)備可采用下述三種結(jié)構(gòu)中的任一種，即碳纖維整體氈、或聚丙烯腈預(yù)氧化纖維(PANOF)整體氈、或碳纖維和纖維網(wǎng)交替疊層結(jié)構(gòu)；對(duì)預(yù)制件骨架材料進(jìn)行熱處理熱處理溫度為970～1000℃，保溫2小時(shí)；以C
文檔編號(hào)C22C47/00GK1603448SQ20041005431
公開(kāi)日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2004年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月7日
發(fā)明者孫晉良, 張國(guó)定, 任幕蘇, 李紅 申請(qǐng)人:上海大學(xué)