一種針刺結構碳/碳複合材料製造工藝的製作方法

2023-06-07 00:03:56

專利名稱：一種針刺結構碳/碳複合材料製造工藝的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種碳/碳複合材料製造工藝，具體涉及一種針刺結構碳/碳復 合材料製造工藝。
背景技術：
碳/碳複合材料主要由預製件增強骨架及基體碳兩部分組成。以短切纖 維、連續纖維或二者按一定比例混合以編織或模壓等形式製成碳/碳製品的形 狀，作為碳/碳複合材料的增強骨架，這種增強骨架被稱為預製件。預製件原 料及結構不同，導致材料性能的差異很大。預氧絲作為預製件的原材料，可 以大大降低原材料成本，儘管預氧絲更加便宜，但是目前主要還是以碳纖維 作為主要原料製造碳/碳複合材料，因為預氧絲在碳化過程中，收縮量比較大， 預製件的尺寸變化及變形給材料形狀的控制帶來很大的麻煩，同時在無牽引 力情況下碳化，得到的碳纖維強度明顯偏低，導致製備的碳碳/複合材料性能
較低，拉伸強度一般只有6 7MPa。

發明內容
本發明的目的是，提供一種能夠採用預氧絲作為預製件原材料的尺寸可 控，拉伸強度大的針刺結構碳/碳複合材料製造工藝。
本發明是這樣實現的， 一種針刺結構碳/碳複合材料製造工藝，它包括以 下幾個步驟，
1) 選用PAN基預氧絲氈和PAN基碳纖維氈，按照每四至十層預氧絲氈 加一層碳纖維氈的比例進行鋪層，直至達到預製件高度要求位置；
2) 在每兩層二層碳纖維氈之間進行一次針刺；
3) 碳化前，在預製件上方壓一塊平面尺寸略大於預製件的石墨塊，重量 按其與預製件重量比為0.8: 1;
4) 第一次碳化按照如下溫度和時間進行
在室溫的狀態下，以18-20°C/h的升溫速度，升溫至300°C，在溫度為300 。C的狀態下，保溫2.5h;再以25-28。C/h的升溫速度升溫至800'C;在溫度為80(TC的狀態下保溫3h;碳化過程的全過程採用氮氣作為保護氣氛；
5)按照傳統反覆瀝青浸漬/碳化工藝複合，反覆進行6至8次。 歩驟2)中的針刺密度在30 40針/cm2，針剌深度8mm。 步驟4)中碳化過程的全過程可以採用氬氣作為保護氣氛。 本發明的優點是，通過碳化工藝的精細控制，掌握了預氧絲氈與碳纖維 氈在一定比例下混合後，其收縮率與碳化工藝參數之間的關係，並通過碳纖 維氈的含量控制，使其對預氧絲碳化過程中的收縮起到一定的限制作用，相 當於給預氧絲一個碳化牽引力，從而起到提高材料強度的作用。


圖1為本發明中所採用的材料結構示意圖； 圖2為本發明所應用的碳化過程示意圖。
圖中，l碳纖維氈，2預氧絲氈，3預製件，4石墨塊，5碳化爐底座。
具體實施例方式
本發明針對預氧絲材料尺寸及強度難以控制這一問題，發明了一種預氧 絲纖維氈與短切碳纖維氈按一定比例混合，其中預氧絲氈佔重量百分含量的 80%，碳纖維氈佔重量百分含量的20%，通過針刺使預製體成型，把預製體 在新型碳化工藝制度下，進行碳化，實現對材料尺寸的控制及對材料強度的 提高。這種製造工藝的優點在於通過碳化工藝的精細控制，掌握了預氧絲氈 與碳纖維氈在一定比例下混合後，其收縮率與碳化工藝參數之間的關係，並 通過碳纖維氈的含量控制，使其對預氧絲碳化過程中的收縮起到一定的限制 作用，相當於給預氧絲一個碳化牽引力，從而起到提高材料強度的作用。
本發明的具體技術方案如下
第一歩，選用PAN基預氧絲(PAN-OF-T700-12K、 PAN-OF-T700-24K) 氈和PAN基碳纖維(PAN-CF-T700-12K、 PAN-CF-T700-24K)氈，按照每
四層至十層預氧絲氈加一層碳纖維氈的比例進行鋪層；
第二步，每二層碳纖維氈之間進行一次針刺，針刺密度控制在30 40針 /cm2，針刺深度8mm，直至達到預製件高度要求位置；
第三步，碳化前，在預製件上方壓一塊平面尺寸略大於預製件的石墨塊， 重量按其與預製件重量比為0.8: 1;
第四歩，第一次碳化按照如下制度進行，全過程採用氮氣或氬氣作為保護氣氛
在室溫的狀態下，以18-20°C/h的升溫速度，升溫至300°C，在溫度為300 。C的狀態下，保溫2.5h;再以25-28。C/h的升溫速度升溫至800。C;在溫度為 800。C的狀態下保溫3h;
第五步，按照傳統反覆瀝青浸漬/碳化工藝複合，反覆進行6至8次，可 得到密度大於1.80g/cm3，拉伸強度在12MPa 16MPa之間的碳/碳複合材料。
本發明的主要特點在於通過重物及碳纖維氈對預氧絲的收縮進行束縛， 起到了類似牽引力的作用，控制材料的尺寸變形的同時，提高了材料力學強 度。本發明是一種以預氧絲氈與短切碳纖維薄氈混合鋪層針刺成型預製件， 通過特殊的碳化及工藝尺寸控制技術，得到一種尺寸可控，拉伸強度大於 12MPa的碳/碳複合材料，該材料可以滿足常規戰術飛彈固體火箭發動機的喉 襯的使用要求，替代原用的鎢滲銅材料，使發動機喉襯部件重量降到原來的 1/8，對固體火箭發動機技術的發展意義重大。
權利要求
1.一種針刺結構碳/碳複合材料製造工藝，其特徵在於它包括以下幾個步驟，1)選用PAN基預氧絲氈和PAN基碳纖維氈，按照每四至十層預氧絲氈加一層碳纖維氈的比例進行鋪層，直至達到預製件高度要求位置；2)在每兩層二層碳纖維氈之間進行一次針刺；3)碳化前，在預製件上方壓一塊平面尺寸略大於預製件的石墨塊，重量按其與預製件重量比為0.8∶1；4)第一次碳化按照如下溫度和時間進行在室溫的狀態下，以18-20℃/h的升溫速度，升溫至300℃，在溫度為300℃的狀態下，保溫2.5h；再以25-28℃/h的升溫速度升溫至800℃；在溫度為800℃的狀態下保溫3h；碳化過程的全過程採用氮氣作為保護氣氛；5)按照傳統反覆瀝青浸漬/碳化工藝複合，反覆進行6至8次。
2. 如權利要求書1所述的一種針刺結構碳/碳複合材料製造工藝，其特 徵在於步驟2)中的針刺密度在30 40針/cm2，針刺深度8mm。
3. 如權利要求書1或2所述的一種針刺結構碳/碳複合材料製造工藝， 其特徵在於步驟4)中碳化過程的全過程可以採用氬氣作為保護氣氛。
全文摘要
本發明屬於一種碳/碳複合材料製造工藝，具體涉及一種針刺結構碳/碳複合材料製造工藝。本發明的目的是，提供一種能夠採用預氧絲作為預製件原材料的尺寸可控，拉伸強度大的針刺結構碳/碳複合材料製造工藝。它的優點是，通過碳化工藝的精細控制，掌握了預氧絲氈與碳纖維氈在一定比例下混合後，其收縮率與碳化工藝參數之間的關係，並通過碳纖維氈的含量控制，使其對預氧絲碳化過程中的收縮起到一定的限制作用，相當於給預氧絲一個碳化牽引力，從而起到提高材料強度的作用。
文檔編號C01B31/02GK101607831SQ200810110999
公開日2009年12月23日 申請日期2008年6月20日 優先權日2008年6月20日
發明者房學良, 楊曉光, 許正輝, 趙高文 申請人:航天材料及工藝研究所