用炭納米纖維增強炭/炭構件的方法

2023-10-17 12:19:54 1

專利名稱：用炭納米纖維增強炭/炭構件的方法
技術領域：
本發明提供一種用炭納米纖維增強炭/炭構件的方法，屬於炭/炭複合材料 技術領域。(二)
背景技術：
炭/炭(C/C)複合材料由於其具有良好的耐燒蝕性能、熱物理性能、摩擦 磨損性能和高溫力學性能，已被成功地用於戰略核武器的飛彈鼻錐、火箭發動 機的噴管喉襯和飛機剎車盤等航空航天領域。把C/C複合材料作為高溫長時間 使用的結構材料，用於製造航空發動機熱端部件，是目前世界上先進國家研究 和發展的方向，世界各發達國家研究新一代高推比航空發動機無一不是把C/C 複合材料作為高溫關鍵材料來考慮的。我國新型航空發動機，擬選用這種材料 製造噴口密封片、調節片、內錐體等零件，並逐步應用於核心機受力轉動件上, 如渦輪葉片、盤等。作為高溫結構C/C複合材料，要求同時具有高的力學和熱 物理性能，以及良好的抗氧化等性能。為了提高其力學性能， 一方面使用高性 能的炭纖維，但目前高性能炭纖維的來源問題在我國還沒有很好解決，另一方 面要採用優化的編織技術和良好的複合工藝，即使如此這一要求仍難以滿足。因此提高力學性能問題己成為將c/c複合材料作為高溫結構材料應用的關鍵問題之一。炭納米纖維同時具有高強度、高彈性和高剛度等優異特性，使得人們對其 增強複合材料充滿了期待，並認為將是炭納米纖維最具前途的應用領域，由於 炭納米管的端面碳五元環的存在，增強了它的反應活性，在外界高溫和其他反 應物質存在的條件下，極易被其它組元浸潤，並形成複合材料。將炭納米纖維 作為增強劑，研究質量輕、高強度和韌性的炭納米結構複合材料已成為是近年 來新材料研製的一個熱點，人們發現，在聚合物基、金屬基、陶瓷基複合材料 中加入炭納米管後，能提高材料的機械性能和電性能。因此，該技術的核心是研製出具有高力學性能、良好熱物理性能的c/c複合材料。
發明內容
本發明的目的在於提供一種用炭納米纖維增強炭/炭構件的方法，以製備高 力學性能，高熱物理性能和摩擦磨損性能的炭納米纖維增強炭/炭複合材料。本發明的技術方案分為以下幾部分添加炭納米纖維的預製體的製備、預 制體的緻密化、高溫熱處理。其具體步驟如圖l所示。1. 添加炭納米纖維的預製體的製備預製體是用炭納米纖維均勻沉積在表面的平紋炭布疊加而成的，選用的平 紋炭布為1K高強聚丙烯腈(PAN)基平紋炭布，是由高強聚丙烯腈炭纖維束編織而成的，每束的炭纖維含量為1000根，炭布在預製體中作為支架，而炭布中的炭纖維作為第一增強體，選用的炭納米纖維作為第二增強體沉積在炭布表面，炭納米纖維為平板狀、管狀或者魚剌狀。預製體中炭纖維的體積含量為40%。具體工藝如下a. 炭納米纖維的分散首先，把炭布和炭納米纖維在真空氣氛下乾燥；然後，把佔炭纖維質量5 %_20%的炭納米纖維分散在有機溶液(甲醇或乙醇)中，採用超聲波分散， 同時進行機械攪拌10—15小時。把炭布平鋪在裝有有機溶液並將炭納米纖維分 散後的器皿中，在室溫下放置10—15小時，由於溶液的揮發作用，使得炭納米 纖維均勻沉積在炭布表面，將炭納米纖維沉積在炭布表面的過程重複2-5次，得 到佔炭纖維質量5%—20%的炭納米纖維沉積在炭布表面，如圖3所示。b. 預製體的製備把含炭納米纖維的炭布疊加在自製石墨夾具上，該石墨夾具為空心石墨柱， 在石墨柱徑向上均勻分布著8-16個圓孔，每層圓孔之間的距離為預製體的厚度， 如圖4所示。相鄰兩層炭布的夾角為90度(炭布方向為炭布編織的紋理方向)， 然後固定，即得到預製體，如圖2所示。2. 預製體的緻密化採用等溫化學氣相滲積(ICVI)工藝對添加炭納米纖維的預製體緻密化， 具體工藝如下將所製備的預製體放在真空氣相沉積爐，升溫到950 1200°C，以甲烷、 丙烷或天然氣等碳氫氣體為沉積氣源，氮氣或氬氣等氣體為稀釋氣體，沉積壓 力為0.5 5kPa。當預製體處在這種環境中，碳氫氣體分解出熱解碳和廢氣。熱
解碳吸附沉積在預製體的空隙、裂紋和纖維表面，而廢氣通過真空泵排出。通 過控制反應氣體的壓力和流量、反應溫度、樣品的擺放，得到熱解碳結構主要為粗糙層。沉積時間為500-650小時，其密度為1.70—1.75g/cm3。 3.高溫熱處理對經過緻密化的材料進行高溫熱處理。把材料放在真空碳化爐中，在氮氣 或氬氣等氣體保護的狀態下，以30 5(TC/h的升溫速率，升溫到2000-2300°C， 並保溫3 5h，即得成品。其中，該炭納米纖維、炭布、碳氫氣體和氮氣是工業標準，而有機溶液為 分析純標準。其中，該炭纖維的牌號是TX3。本發明用炭納米纖維增強炭/炭構件的方法，其優點及功效是沉積時間短， 材料力學性提高，增強體與基體的界面結合強度良好，導熱性能，摩擦磨損性 能等得到明顯提高。(1) 本發明製備的C/C複合材料沉積明顯縮短，在整個沉積過程中，增重率 都比沒有添加炭納米纖維的預製體大很多，特別在前50小時，其增重率比沒添 加的增大了31.4%。如圖5所示。(2) 本發明製備的C/C複合材料其彎曲強度、模量及層間剪切比沒添加炭納 米纖維的最大分別增大了 21.5%， 32.9%禾卩40.7%。因此該材料具有很高的力 學性能。如圖6所示。

圖1.炭納米纖維增強C/C複合材料製備的工藝過程圖2.預製體的結構示意3.預製體微觀結構4.空心石墨柱結構及預製體擺放示意5.預製體緻密化與緻密時間的關係6.炭納米纖維增強C/C複合材料載荷-撓度關係曲線圖7.炭納米纖維添加量為5wt，Q/。的C/C複合材料微觀結構8.炭納米纖維添加量為10wt /。的C/C複合材料微觀結構9.炭納米纖維添加量為15wt,Q/。的C/C複合材料微觀結構IO.炭納米纖維添加量為20wt /。的C/C複合材料微觀結構
圖ll.炭納米纖維添加量為0wt,/。的C/C複合材料微觀結構圖 圖中具體標號如下2、炭納米纖維 3、預製體5、空心石墨柱1、炭布 4、石墨盤 單位符號說明如下 wt.% 質量百分率 °C攝氏度 hKpa千帕 g/cm3 克每立方釐米 J、時 Mpa兆帕 Gpa 吉帕N/cm2牛每平方釐米 r/min 圈每分鐘Kg-m2千克平方米具體實施例方式本發明一種用炭納米纖維增強炭/炭構件的方法，其具體的技術方案結合實 施例，闡述如下1. 炭納米纖維的分散首先，把炭布在真空氣氛下乾燥5小時，乾燥溫度為150'C，把炭納米纖維 乾燥10小時，乾燥溫度為20(TC;然後，把佔炭纖維質量5%的炭納米纖維分散 在甲醇中，採用超聲波分散，同時進行機械攪拌10小時。把炭布平鋪在裝有甲 醇並將炭納米纖維分散後的器皿中，在室溫下放置10小時，由於甲醇的揮發作 用，使得炭納米纖維均勻沉積在炭布表面，炭納米纖維沉積在炭布表面的過程 重複3次，得到質量為炭纖維5%左右的炭納米纖維沉積在炭布表面。2. 預製體的製備把含炭納米纖維的炭布疊加在自製石墨夾具上，預製體中炭纖維的體積含 量為40%，需用26層炭布，相鄰兩層炭布的夾角為90。(炭布方向為炭布編織的 紋理方向)，然後固定。3. 預製體的緻密化採用等溫化學氣相滲積(ICVI)工藝對添加炭納米纖維的預製體緻密化， 具體工藝如下將所製備的預製體放在真空氣相沉積爐，升溫到1050-1100°C，以丙垸為 沉積氣源，氮氣為稀釋氣體，沉積壓力為2 5kPa，丙烷與氮氣的體積比為13: 1，沉積時間為580小時，其密度為1.75g/cm3。4. 高溫熱處理對經過緻密化的材料進行高溫熱處理。把材料放在真空碳化爐中，在氮氣保護的狀態下，以4(TC/h的升溫速率，升溫到230(TC，並保溫3h，即得成品， 其微觀結構如圖7所示。5. 對這種材料進行性能測試材料的密度達到1.75 g/cm3，彎曲強度、模量和層間剪切強度分別達到 157.4MPa， 40.0GPa和14.5MPa。在0 10(TC下，其x-y和z方向導熱係數分 別達到33%和45%，在選擇轉動慣量J=0.68KgTn2，比壓P=127N/cm2，轉速 N:4200r/min剎車條件下，摩擦係數為0.35。實施例二1. 炭納米纖維的分散首先，把炭布在真空氣氛下乾燥5小時，乾燥溫度為15(TC，把炭納米纖維幹 燥10小時，乾燥溫度為20(TC;然後，把佔炭纖維質量10%的炭納米纖維分散在 甲醇中，採用超聲波分散，同時進行機械攪拌10小時。把炭布平鋪在裝有甲醇 並將炭納米纖維分散後的器皿中，在室溫下放置10小時，由於甲醇的揮發作用， 使得炭納米纖維均勻沉積在炭布表面，炭納米纖維沉積在炭布表面的過程重複3 次，得到質量為炭纖維10%左右的炭納米纖維沉積在炭布表面。2. 預製體的製備把含炭納米纖維的炭布疊加在自製石墨夾具上，預製體中炭纖維的體積含量 為40%，需用26層炭布，相鄰兩層炭布的夾角為90。(炭布方向為炭布編織的紋 理方向)，然後固定。3. 預製體的緻密化採用等溫化學氣相滲積(ICVI)工藝對添加炭納米纖維的預製體緻密化，具 體工藝如下將所製備的碳預製體放在真空氣相沉積爐，升溫到1050-1100°C，以丙垸為 沉積氣源，氮氣為稀釋氣體，沉積壓力為2 5kPa，丙烷氮氣的體積比為13: 1，沉積時間為580小時，其密度為1.73g/cm3。4. 高溫熱處理
對經過緻密化的材料進行高溫熱處理。把材料放在真空碳化爐中，在氮氣保護的狀態下，以4(TC/h的升溫速率，升溫到230(TC，並保溫3h，即得成品，其微觀結構如圖8所示。5.對這種材料進行性能測試材料的密度達到1.73g/cm3，彎曲強度、模量和層間剪切強度分別達到 137.4MPa， 34.4GPa禾B 12.2MPa。在0 10(TC下，其x-y和z方向導熱係數分 別達到27%和35%，在選擇轉動慣量J=0.68Kg'm2,比壓P=127N/cm2，轉速 N-4200r/min剎車條件下，摩擦係數為0.32。實施例三:本發明為一種炭納米纖維增強C/C複合材料的新技術1. 炭納米纖維的分散首先，把炭布在真空氣氛下乾燥5小時，乾燥溫度為15(TC，把炭納米纖維幹 燥10小時，乾燥溫度為20(TC;然後，把佔炭纖維質量15%的炭納米纖維分散在 甲醇中，採用超聲波分散，同時進行機械攪拌10小時。把炭布平鋪在裝有甲醇 並將炭納米纖維分散後的器皿中，在室溫下放置10小時，由於甲醇的揮發作用， 使得炭納米纖維均勻沉積在炭布表面，炭納米纖維沉積在炭布表面的過程重複3 次，得到質量為炭纖維15%左右的炭納米纖維沉積在炭布表面。2. 預製體的製備把含炭納米纖維的炭布疊加在自製石墨夾具上，預製體中炭纖維的體積含量 為40%，需用26層炭布，相鄰兩層炭布的夾角為90。(炭布方向為炭布編織的紋理方向)，然後固定。3. 預製體的緻密化採用等溫化學氣相滲積(ICVI)工藝對添加炭納米纖維的預製體緻密化，具 體工藝如下將所製備的碳預製體放在真空氣相沉積爐，升溫到1050-1100°C，以丙烷為 沉積氣源，氮氣為稀釋氣體，沉積壓力為2 5kPa，丙烷氮氣的體積比為13: 1，沉積時間為580小時，其密度為1.70g/cm3。4. 高溫熱處理對經過緻密化的材料進行高溫熱處理。把材料放在真空碳化爐中，在氮氣、氬
氣等氣體保護的狀態下，以40°C/h的升溫速率，升溫到230(TC，並保溫3h， 即得成品，其微觀結構如圖9所示。 5.對這種材料進行性能測材料的密度達到1.70 g/cm3，彎曲強度、模量和層間剪切強度分別達到 118.6MPa， 25.0GPa和9.34MPa。在0 10(TC下，其x-y和z方向導熱係數分 別達到24%和31%，在選擇轉動慣量J=0.68Kg'm2，比壓P=127N/cm2，轉速 N-4200r/min剎車條件下，摩擦係數為0.30。實施例四:本發明為一種炭納米纖維增強C/C複合材料的新技術1. 炭納米纖維的分散首先，把炭布在真空氣氛下乾燥5小時，乾燥溫度為15(TC，把炭納米纖維幹 燥10小時，千燥溫度為20(TC;然後，把佔炭纖維質量20%的炭納米纖維分散在 甲醇中，採用超聲波分散，同時進行機械攪拌10小時。把炭布平鋪在裝有甲醇 並將炭納米纖維分散後的器皿中，在室溫下放置10小時，由於甲醇的揮發作用， 使得炭納米纖維均勻沉積在炭布表面，炭納米纖維沉積在炭布表面的過程重複3 次，得到質量為炭纖維20%左右的炭納米纖維沉積在炭布表面。2. 預製體的製備把含炭納米纖維的炭布疊加在自製石墨夾具上，預製體中炭纖維的體積含量 為40。％，需用26層炭布，相鄰兩層炭布的夾角為90。(炭布方向為炭布編織的紋理方向)，然後固定。3. 預製體的緻密化採用等溫化學氣相滲積(ICVI)工藝對添加炭納米纖維的預製體緻密化，具 體工藝如下將所製備的碳預製體放在真空氣相沉積爐，升溫到1050-1100°C，以丙烷為 沉積氣源，氮氣為稀釋氣體，沉積壓力為2 5kPa，丙烷氮氣的體積比為13: 1，沉積時間為580小時，其密度為1.68g/cm3。4. 高溫熱處理對經過緻密化的材料進行高溫熱處理。把材料放在真空碳化爐中，在氮氣保護 的狀態下，以40°C/h的升溫速率，升溫到2300'C，並保溫3h，即得成品，其
微觀結構如圖io所示。5.對這種材料進行性能測試材料的密度達到1.68 g/cm3，彎曲強度、模量和層間剪切強度分別達到 104.9MPa， 23.4GPa和8.5MPa。在0 10(TC下，其x-y和z方向導熱係數分別 達到20%和30%，在選擇轉動慣量J=0.68Kg'm2，比壓P=127N/cm2，轉速 N-4200r/min剎車條件下，摩擦係數為0.28。實施例五:本發明為一種炭納米纖維增強C/C複合材料的新技術1. 炭納米纖維的分散首先，把炭布在真空氣氛下乾燥5小時，乾燥溫度為15(TC，在預製體中不加 入炭納米纖維。2. 預製體的製備把含炭納米纖維的炭布疊加在自製石墨夾具上，預製體中炭纖維的體積含量 為40%，需用26層炭布，相鄰兩層炭布的夾角為90。(炭布方向為炭布編織的 紋理方向)，然後固定。3. 預製體的緻密化採用等溫化學氣相滲積(ICVI)工藝對添加炭納米纖維的預製體緻密化，具體工藝如下將所製備的碳預製體放在真空氣相沉積爐，升溫到1050-1 IO(TC，以丙烷為 沉積氣源，氮氣為稀釋氣體，沉積壓力為2 5kPa，丙烷氮氣的體積比為13: 1，沉積時間為580小時，其密度為1.72g/cm3。4. 高溫熱處理對經過緻密化的材料進行高溫熱處理。把材料放在真空碳化爐中，在氮氣保護 的狀態下，以40°C/h的升溫速率，升溫到230(TC，並保溫3h，即得成品，其 微觀結構如圖ll所示。5. 對這種材料進行性能測試材料的密度達到1.72 g/cm3，彎曲強度、模量和層間剪切強度分別達到 129.6MPa， 30.1GPa和10.3MPa。在0 100。C下，其x-y和z方向導熱係數分 別達到14%和32%，在選擇轉動慣量J=0.68Kg*m2，比壓P=127N/cm2，轉速 N-4200r/min剎車條件下，摩擦係數為0.28。
權利要求
1、一種用炭納米纖維增強炭/炭構件的方法，其特徵在於該方法包括以下部分添加炭納米纖維的預製體的製備、預製體的緻密化、高溫熱處理；其具體步驟為(1)添加炭納米纖維的預製體的製備預製體是用炭納米纖維均勻沉積在表面的平紋炭布疊加而成的，選用的平紋炭布為1K高強I型聚丙烯腈基平紋炭布，炭布在預製體中作為支架，而炭布中的炭纖維作為第一增強體，選用的炭納米纖維作為第二增強體沉積在炭布表面，炭納米纖維為平板狀、管狀或者魚刺狀；預製體中炭纖維的體積含量為40％；a.炭納米纖維的分散首先，把炭布和炭納米纖維在真空氣氛下乾燥；然後，把佔炭纖維質量5％-20％的炭納米纖維分散在有機溶液——甲醇或乙醇中，採用超聲波分散，同時進行機械攪拌10-15小時；把炭布平鋪在裝有有機溶液並將炭納米纖維分散後的器皿中，在室溫下放置10-15小時，由於溶液的揮發作用，使得炭納米纖維均勻沉積在炭布表面，將炭納米纖維沉積在炭布表面的過程重複2-5次，得到佔炭纖維質量5％-20％的炭納米纖維沉積在炭布表面；b.預製體的製備把含炭納米纖維的炭布疊加在自製石墨夾具上，該石墨夾具為空心石墨柱，在石墨柱徑向上均勻分布著8-16個圓孔，每層圓孔之間的距離為預製體的厚度，相鄰兩層炭布的夾角為90度，然後固定；(2)預製體的緻密化採用等溫化學氣相滲積工藝對添加炭納米纖維的預製體緻密化，具體工藝如下將所製備的預製體放在真空氣相沉積爐，升溫到950～1200℃，以甲烷、丙烷或天然氣等碳氫氣體為沉積氣源，氮氣或氬氣等氣體為稀釋氣體，沉積壓力為0.5～5kPa；當預製體處在這種環境中，碳氫氣體分解出熱解碳和廢氣；熱解碳吸附沉積在預製體的空隙、裂紋和纖維表面，而廢氣通過真空泵排出；通過控制反應氣體的壓力和流量、反應溫度、樣品的擺放，得到熱解碳結構主要為粗糙層；沉積時間為500-650小時，其密度為1.70-1.75g/cm3；(3)高溫熱處理對經過緻密化的材料進行高溫熱處理，把材料放在真空碳化爐中，在氮氣或氬氣等氣體保護的狀態下，以30～50℃/h的升溫速率，升溫到2000-2300℃，並保溫3～5h，即得成品。
2、 根據權利要求1所述的用炭納米纖維增強炭/炭構件的方法，其特徵在 於該炭納米纖維、炭布、碳氫氣體和氮氣是工業標準，而有機溶液為分析純 標準。
3、 根據權利要求1所述的用炭納米纖維增強炭/炭構件的方法，其特徵在 於該炭纖維的牌號是TX3。
全文摘要
本發明提供一種用炭納米纖維增強炭/炭構件的方法，該技術包括三個部分(1)添加炭納米纖維的預製體的製備首先將炭納米纖維在有機溶液中分散，再使其均勻沉積在炭布表面；其次將含炭納米纖維的炭布固定在石墨夾具上；(2)預製體的緻密化採用等溫化學氣相滲積工藝對預製體緻密化，沉積500～650小時，使其密度達到1.70-1.75g/cm3；(3)高溫熱處理把材料放在真空碳化爐中，在氮氣、氬氣等氣體保護的狀態下，以30～50℃/h的升溫速率，升溫到2000-2300℃，並保溫3～5h，即得成品。
文檔編號C04B35/83GK101157564SQ20071012176
公開日2008年4月9日 申請日期2007年9月13日 優先權日2007年9月13日
發明者李進松, 羅瑞盈 申請人:北京航空航天大學