專利名稱：電熱解快速致密碳/碳復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碳/碳復(fù)合材料快速致密化的技術(shù)，專指電熱解快速致密C/C碳/碳復(fù)合材料。
在
背景技術(shù)：
中，迄今為止，除飛機、賽車和極少數(shù)高級小轎車的剎車系統(tǒng)使用C/C復(fù)合材料外，火車、汽車和摩托車在世界各國均未使用C/C剎車復(fù)合材料，其主要原因是價格十分昂貴。作為特殊的C/C復(fù)合材料常用于火箭、導(dǎo)彈、航天飛機、坦克和飛機，例如C/C復(fù)合材料作為耐燒蝕材料用于導(dǎo)彈和火箭的喉襯、噴管、鼻錐；也用于先進(jìn)航空發(fā)動機尾部魚鱗片；又如協(xié)和號飛機使用C/C復(fù)合材料，盡管價格高達(dá)每公斤800-1200美元，但其全機重量減輕約675公斤，其價效比仍是令人鼓舞的。制約C/C材料價格的主要是致密化技術(shù)，傳統(tǒng)工藝是將作為胚體的編織體經(jīng)多次化學(xué)氣相沉積或多次浸漬瀝青多次碳化，或是上述兩種工藝的混合法，其不足之處是工藝周期長，原材料利用率很低，成本昂貴。例如，用化學(xué)氣相沉積法(CVD)通常約須600-2000小時，中間還有出爐打開閉氣孔工藝，生產(chǎn)周期約為3個月到5個月，原材料利用率僅為1.5％以下。據(jù)有關(guān)報道，美國喬治亞技術(shù)研究所(Georgia tech.Ins.),Textron Speacialty Materials公司，Oak Ridge National Laboratory(美國橡樹嶺國家實驗室)都成功得到快速C/C致密技術(shù)，其中Textron公司的化學(xué)液氣相滲透法(CLVD)致密化技術(shù)可使致密化的時間僅為通常CVD的1/100,8小時即可使C/C材料密度達(dá)到1.85g/m3。該公司于1993年獲得1.06億美元，用于該技術(shù)的工業(yè)化生產(chǎn)，但其結(jié)果未見公開報道。美國加州愛德華空軍基地發(fā)明了兩種快速致密化技術(shù)，其一是等離子輔助CVI，另一種液相滲透法，3小時內(nèi)可使原始密度增至1.4g/cm3，但不易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。另據(jù)法國SEP公司報道，該公司已掌握了快速致密化技術(shù)，并進(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn)。上述基本的工藝方法都未見報道。
本發(fā)明的目的是研制一種與上述技術(shù)完全不同的電熱解快速致密C/C復(fù)合材料，達(dá)到在極短時間內(nèi)制得C/C復(fù)合材料，密度達(dá)到1.6～1.8克/厘米3，甚至更高，大幅度降低成本，以便廣泛應(yīng)用于汽車等行業(yè)的目的，并適用工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種C/C復(fù)合材料，由碳纖維構(gòu)成多孔結(jié)構(gòu)的胚體和液烴基體前驅(qū)體經(jīng)冷壁熱梯度化學(xué)液氣相快速電熱解滲入法得到密度達(dá)1.6～1.8克/厘米3的C/C復(fù)合材料。
快速制備C/C復(fù)合材料的工藝方法如下①胚體準(zhǔn)備將具有多孔炭氈、炭布、炭纖維編織體準(zhǔn)備好；②胚體送入沉積室將準(zhǔn)備好的胚體夾持在電極間置于沉積室。
③基體前驅(qū)體送入沉積室作為液烴基體前驅(qū)體的環(huán)己烷，或煤油、或汽油、或柴油，或糠醛、或環(huán)丙烷、或環(huán)戌烷、或環(huán)辛烷，或其組合物送入沉積室；④通入氮氣向沉積室送入氮氣，驅(qū)趕空氣，使沉積室為充滿氮氣的封閉室；然后通過開冷卻裝置，使沉積室內(nèi)壁不斷冷卻；⑤通電加熱電解加熱，利用胚體的導(dǎo)電性和電阻性，胚體升溫，達(dá)650-900℃，較佳溫度為700-800℃，沉積室工作溫度≤75℃，壓力≤1.05atm，保溫時間20分鐘～10小時；⑥斷電、斷氮氣、斷冷卻水；⑦排出基體前驅(qū)體將剩余的基體前驅(qū)體排出送入冷卻箱保存，待再次使用；⑧成品出爐C/C復(fù)合材料制成；⑨加工成零件將C/C復(fù)合材料經(jīng)機械加工成可需零件。
本發(fā)明的實施例說明如下實施例1參見附圖
，取胚體炭氈(密度＜0.3克/厘米3)或炭布、或炭纖維編織體(密度＜0.8)或其一起送入沉積室，再將基體前驅(qū)體的環(huán)己烷、或煤油、或汽油、或柴油，或糠醛、或環(huán)丙烷、或環(huán)戌烷、或環(huán)辛烷，或者其級合物通過油泵送入沉積室，其總量始終以全部浸泡胚體為限；然后通入氮氣，排出室內(nèi)空氣，再封閉窗口；沉積室內(nèi)壁的冷卻水管，經(jīng)冷卻水泵的作用開始工作。當(dāng)然也可通過其它冷卻介質(zhì)或手段達(dá)到冷卻目的。通電加熱，采用電熱解加熱方式，利用溫度在650-900℃，控制較佳溫度為700-800℃，沉積室溫控制在≤75℃，溫度即室溫或室外溫度至75℃之間，壓力控制在≤1.05atm，即1個大氣壓至1.05個大氣壓。其作用原理是這樣的本發(fā)明屬于冷壁熱梯度化學(xué)液氣相電熱解滲入法。在沉積溫度下，熾熱的炭胚體加熱周圍的液烴使其沸騰，強對流換熱使炭胚體冷卻，工作室壁通有冷卻水，使胚體由里向外產(chǎn)生較大溫度梯度。當(dāng)溫度升到一定高度時，靠近胚體的液烴汽化產(chǎn)生一層氣體隔離膜，氣態(tài)度烴分子在濃度差的驅(qū)動下不斷向胚體內(nèi)擴散分解、沉積到高溫區(qū)。隨著碳的沉積，沉積前緣密度增加。溫度進(jìn)一步升高，沉積前緣不斷向外表面推進(jìn)，從而保證碳在胚體內(nèi)依次沉積，結(jié)果獲得密度均勻的C/C復(fù)合材料。經(jīng)過20分鐘至10小時的沉積，即斷電、斷氮氣、斷冷卻水；再排出剩余的基體前驅(qū)體，送入冷卻箱保存，等待再次使用。成品即是C/C復(fù)合材料，取出后機械加工成所需零件，此時即是完整的可銷售的并可供裝配的零件。
實施例2、以沸點較低的液態(tài)烴作為前驅(qū)體，其中包括沸點為81℃的環(huán)己烷，沸點為150～280℃的煤油，沸點為40～200℃的汽油，沸點為200～350℃的柴油，基體前驅(qū)體應(yīng)具有適當(dāng)?shù)姆悬c，不含雜原子的液態(tài)烴，下面以環(huán)己烷和煤油分別作為前驅(qū)體為例表1列出了有關(guān)沉積速率的實施例數(shù)據(jù)。以環(huán)己烷和煤油為前驅(qū)體沉積時，在一定溫度下試樣密度均隨沉積時間(實驗時間內(nèi))的增加而增大。當(dāng)密度達(dá)到1.5g.cm-3后，增長趨緩。
表1沉積條件對試樣密度的影響*序號密度/g.cm-3溫度/℃時間/min前驅(qū)體1 1.24 800 20 環(huán)己烷2 1.34 800 40 環(huán)己烷3 1.55 800 60 環(huán)己烷4 1.61 800 80 環(huán)己烷5 1.01 800 30 煤油6 1.39 800 60 煤油7 1.55 800 90 煤油8 1.58 800 120 煤油9 1.8 800 180 環(huán)己烷*試樣胚體為新酚Ⅱ/碳?xì)只?，密度?.61g.cm-3
本發(fā)明的優(yōu)點和效果①本發(fā)明的最本質(zhì)的特點是能夠?qū)⑻坷w維編織體或炭氈、炭布或其組合在10小時內(nèi)制成C/C復(fù)合材料，密度達(dá)到1.6～1.8克/厘米3，甚至更高，而基體前驅(qū)體利用率要大于19％。
②由于時間短，快速致密C/C復(fù)合材料，故成本降低到傳統(tǒng)工藝的1/100，適用于我國汽車、摩托車、輪船等行業(yè)。
③經(jīng)過試制，效果突出，磨擦系數(shù)適中，可在0.15～0.45之間任意調(diào)整。
權(quán)利要求
1.電熱解快速致密碳/碳復(fù)合材料，其特征是一種C/C復(fù)合材料，由碳纖維構(gòu)成多孔結(jié)構(gòu)的胚體和液烴基體前驅(qū)體經(jīng)冷壁熱梯度化學(xué)液氣相快速電熱解滲入法得到密度達(dá)1.6～1.8克/厘米3的C/C復(fù)合材料。
2.制作權(quán)利要求1所述的電熱解快速致密碳/碳復(fù)合材料的工藝方法如下①胚體準(zhǔn)備將具有多孔炭氈、氈布、炭纖維編織體準(zhǔn)備好；②胚體送入沉積室將準(zhǔn)備好的胚體夾持在電極間置于沉積室；③基體前驅(qū)體送入沉積室作為液烴基體前驅(qū)體的環(huán)己烷，或煤油、或汽油、或柴油，或糠醛、或環(huán)丙烷、或環(huán)戌烷、或環(huán)辛烷，或其組合物送入沉積室；④通入氮氣向沉積室送入氮氣，驅(qū)趕空氣，使沉積室為充滿氮氣的封閉室；然后通過開冷卻裝置，使沉積室內(nèi)壁不斷冷卻；⑤通電加熱電解加熱，利用胚體的導(dǎo)電性和電阻性，胚體升溫，達(dá)650-900℃，較佳溫度為700-800℃，沉積室工作溫度≤75℃，壓力≤1.05atm，保溫時間20分鐘～10小時；⑥斷電、斷氮氣、斷冷卻水；⑦排出基體前驅(qū)體將剩余的基體前驅(qū)體排出送入冷卻箱保存，待再次使用；⑧成品出爐C/C復(fù)合材料制成；⑨加工成零件將C/C復(fù)合材料經(jīng)機械加工成可需零件。
全文摘要
本發(fā)明是一種電熱解快速制備碳/碳復(fù)合材料的技術(shù)。目的是快速致密C/C復(fù)合材料,適用于工業(yè)化生產(chǎn),廣泛應(yīng)用交通、機械等行業(yè),技術(shù)是由碳纖維多孔結(jié)構(gòu)組成的胚體和由環(huán)已烷、煤油等基體前驅(qū)體以冷壁熱梯度化學(xué)液氣相快速電熱解滲入法得到密度達(dá)1.6～1.8克/厘米
文檔編號C04B35/83GK1314322SQ0011376
公開日2001年9月26日 申請日期2000年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月17日
發(fā)明者喬生儒, 舒武炳, 白世鴻 申請人:西北工業(yè)大學(xué)