一種微波水熱法改性碳/碳複合材料的方法
2023-10-04 18:40:34
專利名稱：一種微波水熱法改性碳/碳複合材料的方法
技術領域：
本發明涉及一種碳/碳複合材料的製備方法，具體涉及一種微波水熱 改性碳/碳複合材料的方法。
背景技術：
碳/碳複合材料由於其一系列優異的性能如高強度、高模量、比重小、 耐腐蝕、耐磨擦、熱膨脹係數低、.化學穩定性好，是一種超高溫的結構材 料，目前己廣泛用於太空梭的端前帽和機翼前緣的熱防護系統、火箭發 動機噴管、飛機剎車盤等，顯示出極大的優越性。然而，它的許多上述優
異性能只有在惰性氣氛中或在45(TC以下才能保持，氧化失重會使其強度 大幅度降低甚至全部喪失，從而限制了其作為高溫結構材料在氧化氣氛中 的應用[Huang -Jian-Feng， Zeng-Xie-Rong， Li-He-Jun. Influence of the preparation temperature on the phase, microstructure and anti-oxidation property of a SiC coating for C/C composites. Carbon 42 (2004) 1517 - 1521]。因此，解決碳/碳複合材料高溫防護問題是充分 發揮其優異性能的前提，也成為近年來人們研究的熱點。
目前，解決碳/碳複合材料高溫防護問題的方法主要有基體改性[王麗 芳，陶著.炭陶複合材料中的鋁添加劑抗氧化機理.炭素技術， 4 (1994) 12-17;易茂中,葛毅成，等.預浸塗對航空剎車副用C/C複合材料 抗氧化塗層性能的影響.中國有色金屬，12 (2002) 260-263]和塗層技術 [Huang -Jian-Feng. SiC /yttrium silicate multi-layer coating foroxidation protection of carbon /carbon com— posites. Journal of Materials Science 39 (2004) 7383 - 7385]兩種。但是，由於抗氧化塗 層與碳/碳複合材料基體之間的熱膨脹係數匹配性的問題一直沒有得到根 本解決，塗層在高溫下會剝離脫落或產生微裂紋，為氧氣擴散提供通道， 降低了對材料的保護作用。這一缺陷大大限制了抗氧化塗層技術向更高工 作溫度、更長工作壽命的方向發展。另外，抗氧化塗層的製備工藝較為復 雜，合成條件要求嚴格，使得成本高漲。而基體改性技術則是通過反應將 抗氧化劑引入到材料中，由於抗氧化前驅體和碳基體具有良好的高溫熱匹 配性，因此克服了塗層在高溫會出現裂紋的缺點。
到目前為止，基體改性的方法主要有添加劑法[YAMAMOT0 0， SASAM0T0 T V and INGA -KIM. Anti-oxidation of carbon/carbon composite by SiC concentration gradient and zicon overcoating. 33 (1995) 359] 和基體浸漬法[RAMAN V，BAHI 0 P. Synthesis of Silicon carbide Incorporated carbon /carbon composities by the sol-gel process. Journal of Material Science Letter 14 (1995)1150-1152]。添加劑法 是將抗氧化前軀體以固相顆粒的形式引入到碳基體中去，這些抗氧化前軀 體中的單質元素或化合物與基體碳元素反生反應生成碳化物，這些碳化物 在高溫時與氧反應生成氧化物與氧不反應，並且能阻止氧進入。但這種制 備工藝比較複雜，而且成本太高。基體浸漬法則是在碳/碳複合材料製備 完成後向其中引入抗氧化前軀體，在較高溫度時抗氧化前軀脫水生成玻璃 態物質，填封材料表面的孔隙和裂紋。不足是在高溫和潮溼環境中浸漬劑 會揮發而使得抗氧化失效[郭全貴，宋進仁.碳材料高溫氧化防護陶瓷塗 層體系研究進展.宇航材料工藝，28(1998) 11-16]。
發明內容
本發明的目的是提出一種微波水熱法改性碳/碳複合材料的方法，採用此方法改性過的碳/碳基體抗氧化性能得到明顯提高，並且這種方法工藝簡單，原料價廉，成本低，反應溫度低，具有廣闊的發展前景。
為達到上述目的，本發明採用的技術方案是
1) 選用市售分析純的B203粉、A1A粉、蒸餾水、化學純磷酸為原料，
首先對820冴^1203粉分別進行球磨，球磨完畢後分別過200 300目篩，然後按2-5: l的質量比將B203粉與Al203粉混合製成混合粉體，同時將碳/碳複合材料切割成尺寸為6X8X10mm的試樣，分別用400號、800號以及1000號的砂紙依次打磨拋光後再分別用無水乙醇和蒸餾水超聲清洗20 30min，於60 8(TC烘箱中烘乾得碳/碳複合材料試樣備用；
2) 按5-10: 1的體積比將化學純磷酸和蒸餾水混合置於恆溫磁力攪拌器上攪拌使其均勻成為無色透明溶液，再向溶液中加入溶液質量10 15%的混合粉體，置於恆溫磁力攪拌器上攪拌均勻配製成懸浮液備用；
3) 將懸浮液倒入微波水熱釜中，填充比控制在50 80%，再將碳/碳複合材料試樣放入微波水熱釜中，密封微波水熱釜，放入恆溫微波水熱反應儀中，水熱處理、溫度控制在100 21(TC，保溫12 72h後隨微波水熱儀冷卻至室溫，取出碳/碳複合材料試樣，用蒸餾水超聲清洗10 20 min，於60 8(TC烘箱中烘乾得到改性後的碳/碳複合材料；
4) 將改性後的碳/碳複合材料放在瓷舟中，置於管式氣氛電阻爐內，密封爐體後先通入氬氣60 100min，氬氣流量為0. 1 0. 3L/min，然後再升溫到500 60(TC後保溫2 3h，保溫結束後在氬氣氣氛保護下隨爐冷卻到室溫得到改性後的碳/碳複合材料。本發明對B203和Al203粉進行球磨是在雙頭快速研磨機上進行的，其過
程為分別取B203和Al203粉置於研磨罐中，然後加入A1A球，使料球質量比為1:2 3，球磨2 4小時，轉速為450轉/分鐘。
本發明將碳/碳複合材料在微波水熱條件下進行處理，提高其整體的抗氧化性能，通過微波水熱的方法使一些抑制C與O反應的物質通過壓力、擴散、溶解和反應等作用進入到碳/碳基體內部，並填充碳/碳基體的孔隙，阻止氧與碳基體發生反應，保護整個碳/碳複合材料。
具體實施例方式
實施例l:選用市售分析純的B203粉、A1A粉、蒸餾水、化學純磷酸為原料，首先對B203和A:U03粉分別進行球磨，球磨是在雙頭快速研磨機上進
行的，其過程為分別取B203和Al203粉置於研磨罐中，然後加入Al203球，
使料球質量比為1:2，球磨4小時，轉速為450轉/分鐘，球磨完畢後分別過200目篩，然後按2: l的質量比將B203粉與Al203粉混合製成混合粉體，同時將碳/碳複合材料切割成尺寸為6X8X10mm的試樣，分別用400號、800號以及1000號的砂紙依次打磨拋光後再分別用無水乙醇和蒸餾水超聲清洗20min,於6(TC烘箱中烘乾得碳/碳複合材料試樣備用；按5: l的體積比將化學純磷酸和蒸餾水混合置於恆溫磁力攪拌器上攪拌使其均勻成為無色透明溶液，再向溶液中加入溶液質量10%的混合粉體，置於恆溫磁力攪拌器上攪拌均勻配製成懸浮液備用；將懸浮液倒入微波水熱釜中，填充比控制在50%，再將碳/碳複合材料試樣放入微波水熱釜中，密封微波水熱釜，放入恆溫微波水熱反應儀中，水熱處理溫度控制在10(TC,保溫72h後隨微波水熱儀冷卻至室溫，取出碳/碳複合材料試樣，用蒸餾水超聲清洗10min，於6(TC烘箱中烘乾得到改性後的碳/碳複合材料；將改性後的碳/碳複合材料放在瓷舟中，置於管式氣氛電阻爐內，密封爐體後先通入氬氣60min，氬氣流量為O. 1L/min，然後再升溫到50(TC後保溫3h，保溫結束後在氬氣
氣氛保護下隨爐冷卻到室溫得到改性後的碳/碳複合材料。
實施例2:選用市售分析純的8203粉、Al203粉、蒸餾水、化學純磷酸為原料，首先對B203和A1A粉分別進行球磨，球磨是在雙頭快速研磨機上進行的，其過程為分別取B203和A1A粉置於研磨罐中，然後加入Al203球，使料球質量比為1:3，球磨2小時，轉速為450轉/分鐘，球磨完畢後分別過250目篩，然後按5: l的質量比將B203粉與Al203粉混合製成混合粉體，同時將碳/碳複合材料切割成尺寸為6X8X10mm的試樣，分別用400號、800號以及1000號的砂紙依次打磨拋光後再分別用無水乙醇和蒸餾水超聲清洗30min，於8(TC烘箱中烘乾得碳/碳複合材料試樣備用；按8: l的體積比將化學純磷酸和蒸餾水混合置於恆溫磁力攪拌器上攪拌使其均勻成為無色透明溶液，再向溶液中加入溶液質量15%的混合粉體，置於恆溫磁力攪拌器上攪拌均勻配製成懸浮液備用；將懸浮液倒入微波水熱釜中，填充比控制在70%，再將碳/碳複合材料試樣放入微波水熱釜中，密封微波水熱釜，放入恆溫微波水熱反應儀中，水熱處理溫度控制在18(TC，保溫54h後隨微波水熱儀冷卻至室溫，取出碳/碳複合材料試樣，用蒸餾水超聲清洗15min，於7(TC烘箱中烘乾得到改性後的碳/碳複合材料；將改性後的碳/碳複合材料放在瓷舟中，置於管式氣氛電阻爐內，密封爐體後先通入氬氣100min，氬氣流量為O. 3L/min，然後再升溫到60(TC後保溫2h，保溫結束後在氬氣氣氛保護下隨爐冷卻到室溫得到改性後的碳/碳複合材料。
實施例3:選用市售分析純的B203粉、A1A粉、蒸餾水、化學純磷酸為原料，首先對BA和Al203粉分別進行球磨，球磨是在雙頭快速研磨機上進行的，其過程為分別取B203和Al203粉置於研磨罐中，然後加入Al203球，
使料球質量比為l: 2.5，球磨3小時，轉速為450轉/分鐘，球磨完畢後分別過300目篩，然後按3: l的質量比將B203粉與Al203粉混合製成混合粉體，同時將碳/碳複合材料切割成尺寸為6X8X 10mm的試樣，分別用400號、800號以及1000號的砂紙依次打磨拋光後再分別用無水乙醇和蒸餾水超聲清洗25min，於70'C烘箱中烘乾得碳/碳複合材料試樣備用；按10: l的體積比將化學純磷酸和蒸餾水混合置於恆溫磁力攪拌器上攪拌使其均勻成為無色透明溶液，再向溶液中加入溶液質量13。/。的混合粉體，置於恆溫磁力攪拌器上攪拌均勻配製成懸浮液備用；將懸浮液倒入微波水熱釜中，填充比控制在80%,再將碳/碳複合材料試樣放入微波水熱釜中，密封微波水熱釜，放入恆溫微波水熱反應儀中，水熱處理溫度控制在210'C，保溫12h後隨微波水熱儀冷卻至室溫，取出碳/碳複合材料試樣，用蒸餾水超聲清洗20 min，於8(TC烘箱中烘乾得到改性後的碳/碳複合材料；將改性後的碳/碳複合材料放在瓷舟中，置於管式氣氛電阻爐內，密封爐體後先通入氬氣80min，氬氣流量為O. 2L/min，然後再升溫到550"C後保溫2. 5h，保溫結束後在氬氣氣氛保護下隨爐冷卻到室溫得到改性後的碳/碳複合材料。
本發明採用了微波水熱方法來改性碳/碳複合材料，通過配製一定的水熱體系溶液，在一定的溫度和壓力等工藝條件下可對碳/碳複合材料進行微波水熱改性，改性後的碳/碳複合材料的抗氧化性能得到明顯提高。這種方法的優點是工藝控制簡單，原料價格低廉，反應溫度低，而且生成的抗氧化前軀體和基體的高溫熱匹配性能好，對試樣力學性能沒有影響。改性後的複合材料經過800。C氧化100小時後失重小於2。/。，性能大大優於目
前傳統的浸漬方法。
權利要求
1、一種微波水熱法改性碳/碳複合材料的方法，其特徵在於1)選用市售分析純的B2O3粉、Al2O3粉、蒸餾水、化學純磷酸為原料，首先對B2O3和Al2O3粉分別進行球磨，球磨完畢後分別過200～300目篩，然後按2-5∶1的質量比將B2O3粉與Al2O3粉混合製成混合粉體，同時將碳/碳複合材料切割成尺寸為6×8×10mm的試樣，分別用400號、800號以及1000號的砂紙依次打磨拋光後再分別用無水乙醇和蒸餾水超聲清洗20～30min，於60～80℃烘箱中烘乾得碳/碳複合材料試樣備用；2)按5-10∶1的體積比將化學純磷酸和蒸餾水混合置於恆溫磁力攪拌器上攪拌使其均勻成為無色透明溶液，再向溶液中加入溶液質量10～15％的混合粉體，置於恆溫磁力攪拌器上攪拌均勻配製成懸浮液備用；3)將懸浮液倒入微波水熱釜中，填充比控制在50～80％，再將碳/碳複合材料試樣放入微波水熱釜中，密封微波水熱釜，放入恆溫微波水熱反應儀中，水熱處理溫度控制在100～210℃，保溫12～72h後隨微波水熱儀冷卻至室溫，取出碳/碳複合材料試樣，用蒸餾水超聲清洗10～20min，於60～80℃烘箱中烘乾得到改性後的碳/碳複合材料；4)將改性後的碳/碳複合材料放在瓷舟中，置於管式氣氛電阻爐內，密封爐體後先通入氬氣60～100min，氬氣流量為0.1～0.3L/min，然後再升溫到500～600℃後保溫2～3h，保溫結束後在氬氣氣氛保護下隨爐冷卻到室溫得到改性後的碳/碳複合材料。
2、 根據權利要求l所述的微波水熱法改性碳/碳複合材料的方法，其 特徵在於所說的對8203和八1203粉進行球磨是在雙頭快速研磨機上進行的，其過程為分別取B203和A1A粉置於研磨罐中，然後加入A1A球，使料球質量比為1:2 3，球磨2 4小時，轉速為450轉/分鐘。
全文摘要
一種微波水熱法改性碳/碳複合材料的方法，首先對B2O3和Al2O3粉分別進行球磨，然後將B2O3粉與Al2O3粉混合製成混合粉體，將化學純磷酸和蒸餾水混合置於恆溫磁力攪拌器上攪拌使其均勻成為無色透明溶液，再向溶液中加入混合粉體，置於恆溫磁力攪拌器上攪拌均勻配製成懸浮液倒入微波水熱釜中，再將碳/碳複合材料打磨拋光、超聲清洗在烘箱中烘乾後放入其中，放入恆溫微波水熱反應儀中微波水熱反應後冷卻至室溫，取出將其放在瓷舟中，置於管式氣氛電阻爐內，密封爐體後先通入氬氣然後加熱得改性後的碳/碳複合材料。本發明將碳/碳複合材料在微波水熱條件下進行處理，提高其整體的抗氧化性能。
文檔編號C04B41/85GK101486592SQ200910021218
公開日2009年7月22日 申請日期2009年2月20日 優先權日2009年2月20日
發明者群 弭, 曹麗雲, 抗 李, 強 楊, 殷立雄, 王文靜, 胡寶雲, 黃劍鋒 申請人:陝西科技大學