高導熱性碳/碳蜂窩狀結構的製作方法

2023-07-18 01:02:11

專利名稱：高導熱性碳/碳蜂窩狀結構的製作方法
技術領域：
本發明，概括地說，涉及製造碳/碳複合蜂窩狀結構的方法，尤其是涉及能用於傳熱設備的具有高導熱性的碳/碳複合蜂窩狀結構。
在本文中所使用的「蜂窩狀」結構材料應當包括任何的全部的具有規則結構的多孔、薄壁結構材料。蜂窩狀結構材料用於許多需要勁度重量比高的用途之中。使用各種各樣的材料製造蜂窩狀結構，包括各種金屬(如鋁、鈦和不鏽鋼)和各種有機基材複合材料。許多蜂窩體的用途(如發動機罩)需要具有抗熱性，在許多情況下同時需要抗熱性和一定程度的導熱性。在這些結構的設計方面一直存在的問題，已經使高溫機械性能和導熱性兩者最佳化，與此同時還減少了重量。現在，「最好的」可行解決方法得自對一種或多種理想參數進行折衷的方法。例如鋁能夠容易地製成蜂窩體，並具有優良的比導熱率。然而，在較低溫度下，鋁的機械性能會惡化。不鏽鋼雖然在高溫下保持良好的機械性能，但是其比導熱率低劣。與鋁相比，用鈦製造難以進行，並且價格昂貴，也具有比導熱率差的問題。採用高模量瀝青前體(pitch precursor)碳纖維和包括環氧樹脂和氰酸酯的各種有機基質，開發了具有較高比導熱率的有機基質複合蜂窩材料(參見Corden的美國專利5,288,537和Darfler等的美國專利5,527,584)。因為這些基質材料的性能較差，限制了其機械性能，所以這些結構的使用溫度範圍也受到限制。另外所用的高模量碳纖維十分昂貴，並且因為其勁度高而難以加工。碳/碳蜂窩狀結構可見述於此前Delage等的美國專利5,415,715和5,514,445中。這種結構的優點是，具有與碳/碳複合材料相關的高比強度和勁度。另外，它們在高溫下仍保持著這些性能。非常希望提供一種下述那樣的方法，藉助於該方法能夠使用低成本低模量碳纖維製造蜂窩狀材料，隨後可使其經緻密化並轉變為高熱導性材料，並伴隨著纖維模量的增加。這種材料能夠用於熱交換器或其它熱交換設備。在下述應用中，這種材料是特別有價值的，即由於鋁的高溫強度低劣而不能使用鋁的地方，或者具有較好高溫性能的金屬(如鈦)由於導熱性不足或者重量限制而不能用的地方。
本發明通過所公開的下述方法提供了解決上述問題的方法；該方法提供了由低模量瀝青前體碳纖維複合材料和石墨類碳基質製造的高導熱率蜂窩狀結構；該方法包括的步驟有提供低模量瀝青前體碳纖維複合結構，加熱低模量瀝青前體碳纖維複合結構至約700～900℃，在低壓和約950～1200℃下藉助於CVD/CVI採用可石墨化的碳使複合結構緻密化，和將所得結構熱處理至約2200～3200℃，這樣提供了從低模量瀝青前體碳纖維複合材料和石墨類碳基質製造的蜂窩狀結構，這樣制的蜂窩狀結構具有高導熱率和提高的纖維模量。
採用普通蜂窩體生產技術，將低模量瀝青前體碳纖維(如AmocoPerformance Products公司的P-25或P-30X；Mitsubishi公司的MKC321)與可溶可熔酚醛樹脂或線型酚醛環氧樹脂或其它可碳化的熱固性樹脂一起使用，生產出蜂窩狀結構。因為這些纖維的模量較低，所以生產微孔尺寸小的蜂窩體比採用高模量纖維容易。這種蜂窩結構可得自，例如，YLA Cellular Products公司(Dublin，CA)。然後，將這些結構經惰性氣體熱解和碳化轉化成碳/碳複合材料。典型的碳化溫度為約700～900℃。在碳化過程中，由於非碳材料從樹脂中損失掉，基質材料成為多孔的。然後，採用碳蒸汽沉積/碳蒸汽滲透(「CVD/CVI」)方法使所得結構緻密化，該方法，在給定的適當的加工條件下，沉積可高度石墨化的碳。這種方法一般使用低壓(＜約100torr)天然氣或低分子量氣態烴的混合物，在約950℃～1200℃下進行操作。前體氣體裂解中成固體碳和氫及許多副產物。固體碳沉積在碳化蜂窩孔中。然後，將所得緻密結構(典型密度1.8g/cc)熱處理至約2200～3200℃，以便使碳纖維和碳基質石墨化。如果可以消除結構畸變的可能性，那末也可以在緻密之前進行熱處理。所得結構的纖維模量增加，在蜂窩狀壁的頰的方向上的所謂的纖維方向具有高導熱率，其值高於約200w/m-k。預計經過微孔壁的傳導較低。
實例採用模量為2千5百萬psi的瀝青前體碳纖維和自BordenIndustrial Resins的市售酚醛樹脂如SC1008，製備碳纖維酚醛複合蜂窩狀材料。採標準蜂窩體製造方法。採用惰性氣體進行材料熱解，熱解溫度約達800℃。採用CVD緻密，使材料緻密至密度為1.7～1.75g/cm。然後對該材料進行熱處理，至2200℃以上，所使用的最高溫度滲透時間＞2hr。採用相同方法從相同材料製造的目視平的(flat witness)試樣，經測定在纖維方向導熱率為＞200w/m-k。
本發明能夠使用現有低模量纖維結構形成高導熱率纖維基蜂窩狀結構。這樣就避免了應用昂貴的高模量纖維材料結構，或者避免了將低模量纖維加工製成用於製造蜂窩狀結構的複合材料。
權利要求
1.一種提供由低模量瀝青前體碳纖維複合材料和石墨類碳基質製造的高導熱率蜂窩狀結構的方法，該方法包括的步驟有提供低模量瀝青前體碳纖維複合結構，加熱低模量瀝青前體碳纖維複合結構至約700～900℃，在低壓和約950～1200℃下藉助於CVD/CVI採用可石墨化的碳使複合結構緻密化，和將所得結構熱處理至約2200～3200℃，這樣提供了從低模量瀝青前體碳纖維複合材料和石墨類碳基質製造的蜂窩狀結構，這樣制的蜂窩狀結構具有高導熱率和提高的纖維模量。
2.按照權利要求1的方法，其還包括在緻密化步驟之前熱處理所述結構至約2200～3200℃。
3.按照權利要求2的方法，其中，低壓為小於約100torr。
4.按照權利要求1的方法，其中，低模量瀝青前體碳纖維在起始時模量小於7千萬psi。
5.按照權利要求4的方法，其中，低模量瀝青前體碳纖維複合材料起初包含低模量瀝青前體碳纖維和可碳化熱固性樹脂的複合材料。
6.按照權利要求5的方法，其中，熱固性樹脂包括酚醛樹脂和線型酚醛環氧樹脂之一。
7.按照權利要求1的方法，其中，高導熱率在蜂窩體壁平面的方向上為大於約200w/m-k。
8.按照權利要求1製造的結構。
9.高導熱率的蜂窩狀結構，其是由低模量瀝青前體碳纖維複合蜂窩狀結構和石墨碳基質製造的，將低模量瀝青前體碳纖維複合蜂窩狀結構加熱至約700～900℃，在低壓下約950～1200℃下藉助於CVD/CVI用可石墨化的碳緻密，以及隨後熱處理至約2200～3200℃，如此由低模量瀝青前體碳纖維複合蜂窩狀結構和石墨碳基質制的高導熱率蜂窩狀結構，在整個厚度方向上的導熱率大於約200w/m-k，並且纖維模量增加。
10.按照權利要求9的結構，其中，低壓為小於約100torr。
11.按照權利要求9的方法，其中，低模量瀝青前體碳纖維在初始時的模量為小於7千萬psi。
12.按照權利要求9的方法，其中，低模量瀝青前體碳纖維複合蜂窩狀結構初始包含低模量瀝青前體碳纖維和可碳化的熱固性樹脂的複合材料。
13.按照權利要求12的方法，其中，熱固性樹脂包括酚醛樹脂和線型酚醛環氧樹脂之一。
全文摘要
本發明提供了一種製造碳/碳複合蜂窩狀結構的方法,該結構不僅具有與碳/碳材料相關聯的機械性能,而且還具有高導熱率(>200w/m-k)。包含低模量瀝青前體碳纖維複合材料的蜂窩狀結構,經加熱或碳化除去揮發物,經低壓採用CVD/CVI緻密化得到可石墨化的碳基質,接著經熱處理使碳纖維和碳基質兩者石墨化。所得蜂窩狀結構具有高導熱率,其纖維模量增加,可以用來,例如,製造熱交換設備。
文檔編號C04B35/52GK1336905SQ98811907
公開日2002年2月20日 申請日期1998年10月9日 優先權日1997年10月9日
發明者T·B·瓦爾克 申請人:聯合訊號公司