一種碳-碳復合材料的制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種碳?碳復合材料的制備方法。本發明制備的碳?碳復合材料,采用復合碳纖維材料,提升了材料的機械性能,采用特定工藝及參數,使得密度小、力學性能好、抗燒蝕性能良好。
【專利說明】
一種碳-碳復合材料的制備方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種碳-碳復合材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]碳-碳復合材料是碳纖維增強碳基體的復合材料,具有密度小、力學性能好、抗燒蝕性能良好、優異的摩擦磨損性能、熱容大、抗熱震性良好、比強度、比模量、斷裂韌性高等特點,廣泛應用于航天、航空、核電、冶金、汽車等領域。同時具有良好的耐腐蝕性,很高的化學穩定性,能夠在生物體內長時間保持穩定的形狀和機械性能,具有很好的生物相容性,細胞可以很好的融入其孔隙當中,且疲勞特性好、彈性模量與骨相當等特點,是一種極具潛力的骨修復和骨替代生物醫用材料。
[0003]現有技術中,化學氣相滲透工藝是制備炭炭復合材料的主要方法,等溫化學氣相滲透工藝設備簡單、操作方便,對復雜形狀制品可處理性強,具有一爐多制品同時滲透的特點,在炭炭復合材料制備領域占據極其重要的地位。其不足之處在于:等溫化學氣相滲透工藝存在熱解反應、沉積反應和氣體擴散之間的競爭,沉積速率大于擴散速率,導致炭炭復合材料出現嚴重的密度梯度,甚至出現表面結殼現象。
【發明內容】
[0004]本發明提供一種碳-碳復合材料的制備方法,使用該方法工藝可控,密度小、力學性能好、抗燒蝕性能良好。
[0005]為了實現上述目的,本發明提供一種碳-碳復合材料的制備方法,該方法包括如下步驟:
(I)制備碳纖維復合材料
在真空條件下,將碳纖維放入2150°C_2225°C環境中鍛燒2-3h,將鍛燒后的碳纖維基體用硝酸和硫酸的混合溶液在50-70 °C浸泡50-80min,接著用去離子水沖洗至中性,最后烘干待用;
取I O-12mL復合催化劑,加入濃度為2mo I /L的氨水90_120mL,再加入30_50mL無水乙醇,攪拌使其混合均勻;
將的混合溶液轉移到高壓反應釜中,將所得的碳纖維預制體放入釜中浸漬8-10h; 將反應釜浸入120-140 °C的油浴中反應2-3h ;
用冷水對反應釜急冷,使其溫度降至室溫,取出碳纖維預制體,在不斷翻動的情況下陰干;
將所得的試樣轉入真空碳管爐中鍛燒、還原,得加載有金屬催化劑Ni顆粒的碳纖維預制體;
將所得碳纖維預制體裝載在真空碳管爐中,進行沉積增密。其中,主要工藝參數為:溫度1200-1300°C,管道天然氣氣體流量范圍為5-7L,氣氛壓力控制為1.5-2KPa,沉積時間為50-60h; 將所得沉積增密后的樣品在2200-2250°C溫度下高溫石墨化處理2h-3h,自然冷卻后得到復合碳纖維材料;
(2)將酚醛樹脂和乙醇按比例混合攪拌,酚醛樹脂完全溶解后,繼續攪拌一段時間,使酚醛樹脂和乙醇混合均勻,一般10-15min即可,再加入適量的酸性催化劑,攪拌均勻,一般繼續攪拌10_15min即可,得到均勻穩定的酚醛樹脂溶液,所述的酚醛樹脂與乙醇的質量比為 ι:α-5);
催化劑選擇乙酸,優選的添加量為酚醛樹脂質量的6-10% ;。
[0006](3)真空浸漬:將上述復合碳纖維材料浸沒在所述酚醛樹脂溶液中,在密閉狀態下進行真空浸漬;
(4)在密閉狀態下加熱,使浸沒在酚醛樹脂溶液中的低密度復合碳纖維材料在飽和乙醇蒸汽環境中進行固化,獲得納米尺度的顆粒狀碳基體;
固化全過程在過量的乙醇溶劑中完成,碳樹脂先驅體在密閉容器內,在高溫及乙醇飽和蒸汽壓的共同作用下交聯固化,碳樹脂先驅體在過量乙醇中固化生成交聯結構的納米凝膠;
固化工藝為:按40-60°C/h的升溫速率由室溫升溫至150-180°C,保溫2-3h,再按10-200C /h的升溫速率升溫至190-210 °C,保溫3-4小時,自然降溫至100 °C以下后,可通入冷卻水或風冷快速降溫;
(5)固化后的顆粒狀碳基體,去除表面附著的酚醛塊,在氮氣保護下按100-150°C/h的升溫速率升溫至900-115(TC進行高溫裂解,得到碳-碳復合材料。
[0007]本發明制備的碳-碳復合材料,采用復合碳纖維材料,提升了材料的機械性能,采用特定工藝及參數,使得密度小、力學性能好、抗燒蝕性能良好。
【具體實施方式】
[0008]實施例一
在真空條件下,將碳纖維放入2150°C環境中鍛燒2h,將鍛燒后的碳纖維基體用硝酸和硫酸的混合溶液在50°C浸泡50min,接著用去離子水沖洗至中性,最后烘干待用。
[0009]取1mL復合催化劑,加入濃度為2mol/L的氨水90mL,再加入30mL無水乙醇,攪拌使其混合均勻。將的混合溶液轉移到高壓反應釜中,將所得的碳纖維預制體放入釜中浸漬8h。將反應釜浸入120°C的油浴中反應2h。用冷水對反應釜急冷,使其溫度降至室溫,取出碳纖維預制體,在不斷翻動的情況下陰干。將所得的試樣轉入真空碳管爐中鍛燒、還原,得加載有金屬催化劑附顆粒的碳纖維預制體。復合催化劑中附、1^^1的摩爾比為:祖:1^:41 = 10:1:4ο
[0010]將所得碳纖維預制體裝載在真空碳管爐中,進行沉積增密。其中,主要工藝參數為:溫度12000C,管道天然氣氣體流量范圍為5L,氣氛壓力控制為1.5KPa,沉積時間為50h。
[0011]將所得沉積增密后的樣品在2200°C溫度下高溫石墨化處理2h,自然冷卻后得到復合碳纖維材料。
將酚醛樹脂和乙醇按比例混合攪拌,酚醛樹脂完全溶解后,繼續攪拌一段時間,使酚醛樹脂和乙醇混合均勻,一般1min即可,再加入適量的酸性催化劑,攪拌均勻,一般繼續攪拌1min即可,得到均勻穩定的酚醛樹脂溶液,所述的酚醛樹脂與乙醇的質量比為1:1;催化劑選擇乙酸,優選的添加量為酚醛樹脂質量的6%。
[0012]真空浸漬:將上述復合碳纖維材料浸沒在所述酚醛樹脂溶液中,在密閉狀態下進行真空浸漬。
[0013]在密閉狀態下加熱,使浸沒在酚醛樹脂溶液中的低密度復合碳纖維材料在飽和乙醇蒸汽環境中進行固化,獲得納米尺度的顆粒狀碳基體。
[0014]固化全過程在過量的乙醇溶劑中完成,碳樹脂先驅體在密閉容器內,在高溫及乙醇飽和蒸汽壓的共同作用下交聯固化,碳樹脂先驅體在過量乙醇中固化生成交聯結構的納米凝膠。
[0015]固化工藝為:按400C /h的升溫速率由室溫升溫至150 °C,保溫2h,再按1 °C /h的升溫速率升溫至190°C,保溫3小時,自然降溫至100°C以下后,可通入冷卻水或風冷快速降溫。
[0016]固化后的顆粒狀碳基體,去除表面附著的酚醛塊,在氮氣保護下按100°C/h的升溫速率升溫至900°C進行高溫裂解,得到碳-碳復合材料。
[0017]實施例二
在真空條件下,將碳纖維放入2225°C環境中鍛燒3h,將鍛燒后的碳纖維基體用硝酸和硫酸的混合溶液在70°C浸泡80min,接著用去離子水沖洗至中性,最后烘干待用。
[0018]取12mL復合催化劑,加入濃度為2mol/L的氨水120mL,再加入50mL無水乙醇,攪拌使其混合均勻。將的混合溶液轉移到高壓反應釜中,將所得的碳纖維預制體放入釜中浸漬1h O將反應釜浸入140 0C的油浴中反應3h。用冷水對反應釜急冷,使其溫度降至室溫,取出碳纖維預制體,在不斷翻動的情況下陰干。將所得的試樣轉入真空碳管爐中鍛燒、還原,得加載有金屬催化劑Ni顆粒的碳纖維預制體。復合催化劑中N1、La、Al的摩爾比為:N1:La:Al= 10:1:4。
[0019]將所得碳纖維預制體裝載在真空碳管爐中,進行沉積增密。其中,主要工藝參數為:溫度13000C,管道天然氣氣體流量范圍為7L,氣氛壓力控制為2KPa,沉積時間為60h。
[0020]將所得沉積增密后的樣品在2250°C溫度下高溫石墨化處理3h,自然冷卻后得到復合碳纖維材料。
將酚醛樹脂和乙醇按比例混合攪拌,酚醛樹脂完全溶解后,繼續攪拌一段時間,使酚醛樹脂和乙醇混合均勻,一般15min即可,再加入適量的酸性催化劑,攪拌均勻,一般繼續攪拌15min即可,得到均勻穩定的酚醛樹脂溶液,所述的酚醛樹脂與乙醇的質量比為1:5;催化劑選擇乙酸,優選的添加量為酚醛樹脂質量的10%。
[0021]真空浸漬:將上述復合碳纖維材料浸沒在所述酚醛樹脂溶液中,在密閉狀態下進行真空浸漬。
[0022]在密閉狀態下加熱,使浸沒在酚醛樹脂溶液中的低密度復合碳纖維材料在飽和乙醇蒸汽環境中進行固化,獲得納米尺度的顆粒狀碳基體。
[0023]固化全過程在過量的乙醇溶劑中完成,碳樹脂先驅體在密閉容器內,在高溫及乙醇飽和蒸汽壓的共同作用下交聯固化,碳樹脂先驅體在過量乙醇中固化生成交聯結構的納米凝膠。
[0024]固化工藝為:按60°C/h的升溫速率由室溫升溫至180 0C,保溫3h,再按20 V /h的升溫速率升溫至210°C,保溫4小時,自然降溫至100°C以下后,可通入冷卻水或風冷快速降溫。
[0025]固化后的顆粒狀碳基體,去除表面附著的酚醛塊,在氮氣保護下按150°C/h的升溫速率升溫至1150°c進行高溫裂解,得到碳-碳復合材料。
【主權項】
1.一種碳-碳復合材料的制備方法,該方法包括如下步驟: (1)制備碳纖維復合材料 在真空條件下,將碳纖維放入2150°c-2225°c環境中鍛燒2-3h,將鍛燒后的碳纖維基體用硝酸和硫酸的混合溶液在50-70 °C浸泡50-80min,接著用去離子水沖洗至中性,最后烘干待用; 取10-12mL復合催化劑,加入濃度為2mol/L的氨水90-120mL,再加入30-50mL無水乙醇,攪拌使其混合均勻; 將的混合溶液轉移到高壓反應釜中,將所得的碳纖維預制體放入釜中浸漬8-10h; 將反應釜浸入120-140 0C的油浴中反應2-3h ; 用冷水對反應釜急冷,使其溫度降至室溫,取出碳纖維預制體,在不斷翻動的情況下陰干; 將所得的試樣轉入真空碳管爐中鍛燒、還原,得加載有金屬催化劑Ni顆粒的碳纖維預制體; 將所得碳纖維預制體裝載在真空碳管爐中,進行沉積增密,其中,主要工藝參數為:溫度1200-1300°C,管道天然氣氣體流量范圍為5-7L,氣氛壓力控制為1.5-2KPa,沉積時間為50-60h; 將所得沉積增密后的樣品在2200-2250°C溫度下高溫石墨化處理2h-3h,自然冷卻后得到復合碳纖維材料; (2)將酚醛樹脂和乙醇按比例混合攪拌,酚醛樹脂完全溶解后,繼續攪拌一段時間,使酚醛樹脂和乙醇混合均勻,一般10-15min即可,再加入適量的酸性催化劑,攪拌均勻,一般繼續攪拌10_15min即可,得到均勻穩定的酚醛樹脂溶液,所述的酚醛樹脂與乙醇的質量比為1:(1-5);催化劑選擇乙酸,優選的添加量為酚醛樹脂質量的6-10%; (3)真空浸漬:將上述復合碳纖維材料浸沒在所述酚醛樹脂溶液中,在密閉狀態下進行真空浸漬; (4)在密閉狀態下加熱,使浸沒在酚醛樹脂溶液中的低密度復合碳纖維材料在飽和乙醇蒸汽環境中進行固化,獲得納米尺度的顆粒狀碳基體; 固化全過程在過量的乙醇溶劑中完成,碳樹脂先驅體在密閉容器內,在高溫及乙醇飽和蒸汽壓的共同作用下交聯固化,碳樹脂先驅體在過量乙醇中固化生成交聯結構的納米凝膠; 固化工藝為:按40-60 0C /h的升溫速率由室溫升溫至150-180 °C,保溫2_3h,再按10-200C /h的升溫速率升溫至190-210 °C,保溫3-4小時,自然降溫至100 °C以下后,可通入冷卻水或風冷快速降溫; (5)固化后的顆粒狀碳基體,去除表面附著的酚醛塊,在氮氣保護下按100-150°C/h的升溫速率升溫至900-115(TC進行高溫裂解,得到碳-碳復合材料。
【文檔編號】C04B35/83GK106007772SQ201610344317
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月23日
【發明人】不公告發明人
【申請人】蘇州思創源博電子科技有限公司