專利名稱：一種高溫爐用炭/炭復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料制備領(lǐng)域，尤其涉及一種高溫爐用炭/炭復(fù)合材料的制備方法
背景技術(shù)：
近些年來，隨著汽車，太陽能行業(yè)規(guī)模的不斷發(fā)展擴(kuò)張，帶動(dòng)了傳統(tǒng)鋼鐵，有色冶金，粉末冶金及多晶硅產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，而高溫爐作為這些行業(yè)領(lǐng)域必不可少的設(shè)備，其市場規(guī)模也得到了巨大的發(fā)展，這直接導(dǎo)致了高溫爐用熱場材料需求量的增加。傳統(tǒng)的高溫爐用熱場材料(包括結(jié)構(gòu)件，發(fā)熱體等)多采用石墨材料，而傳統(tǒng)石墨材料由于強(qiáng)度低，熱膨脹系數(shù)較大，加工性能較差，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，高溫爐設(shè)計(jì)尺寸的不斷變大，在很多場合石墨材料已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)加工的需要。而炭/炭復(fù)合材料作為一種性能優(yōu)異的高溫結(jié) 構(gòu)材料，具有重量輕，韌性好，耐燒蝕，抗熱沖擊性好，熱膨脹系數(shù)小，外形可設(shè)計(jì)性強(qiáng)及良好的加工性能，在高溫爐用熱場材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，高性能炭/炭板材的主要制備方法有兩種，一種是采用化學(xué)氣相沉積工藝制備，該方法生產(chǎn)周期長，對設(shè)備要求高，而且不適合大尺寸薄型平板件的制備。另外一種工藝則是采用炭布疊層熱壓制備，目前國內(nèi)制備炭/炭板材多采用該工藝，但是由于該工藝采用炭布疊層作為預(yù)制體，炭布與炭布之間缺乏層間結(jié)合力，所以該工藝制得的炭/炭板材抗彎強(qiáng)度較低，當(dāng)承受橫向剪切時(shí)，容易出現(xiàn)分層開裂的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種層間結(jié)合力強(qiáng)，彎曲強(qiáng)度高，不容易分層開裂的炭/炭復(fù)合材料的制備方法。為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種炭/炭復(fù)合材料的制備方法，包括a)提供炭纖維坯體；所述炭纖維坯體由至少兩層炭纖維型材編制而成；b)將所述炭纖維坯體浸入樹脂材料中，進(jìn)行浸潰，得到預(yù)制件；c)將所述預(yù)制件進(jìn)行預(yù)固化和熱壓固化成型得到成型件；d)將所述成型件進(jìn)行炭化處理，得到炭/炭復(fù)合材料。優(yōu)選的，還包括e)將步驟d)得到的炭/炭復(fù)合材料重復(fù)步驟b)和步驟d)操作2飛次。優(yōu)選的，還包括步驟f)將步驟e)得到的炭/炭復(fù)合材料進(jìn)行高溫?zé)崽幚怼?yōu)選的，步驟a)中的炭纖維坯體通過以下方法制備將至少一層平紋炭纖維型材和至少一層網(wǎng)狀炭纖維型材疊層鋪設(shè)，并連續(xù)針刺形成炭纖維織物；將所述炭纖維織物進(jìn)行熱處理，得到炭纖維坯體。優(yōu)選的，所述炭纖維型材由聚丙烯腈基炭纖維、粘膠基炭纖維、浙青基纖維平鋪或編制而成。
優(yōu)選的，步驟b)中的浸潰為真空浸潰或加壓浸潰。優(yōu)選的，所述樹脂材料為酚醛樹脂、呋喃樹脂、環(huán)氧樹脂、聚烯烴樹脂、聚氨酯樹脂中的一種或幾種。優(yōu)選的，所述樹脂材料的炭收率為40°/Γ60%。優(yōu)選的，步驟c )具體為Cl)將所述預(yù)制件在6(Tl2(TC下進(jìn)行預(yù)固化10 15h ；c2)將所述預(yù)固化后的預(yù)制件在溫度為13(T250°C，壓力為l 6MPa條件下熱壓固化，得到成型件。優(yōu)選的，所述步驟d)中的炭化處理具體為將所述成型件在氮?dú)鈿夥罩屑訜嶂?0(Γ1300 ，至所有樹脂材料全部炭化結(jié)束。本發(fā)明提供的炭/炭復(fù)合材料先將炭纖維型材進(jìn)行編制然后通過整體針刺形成炭纖維坯體，增強(qiáng)炭/炭復(fù)合材料的層間結(jié)合力，彎曲強(qiáng)度，采用該工藝制備炭/炭復(fù)合板材，生產(chǎn)工藝簡單，周期較短，從坯料炭纖維針刺氈到密度> I. 5g/cm3的炭/炭板材成品，全部流程只需I個(gè)月，適合批量生產(chǎn)。該工藝適合O. 7 20_厚的薄板制備，產(chǎn)品整體缺陷較少，質(zhì)量一致性高，由于采用了炭纖維整體針刺氈作為坯體，產(chǎn)品在抗壓，抗彎等力學(xué)性能上大大優(yōu)于同密度的石墨制品。該工藝采用熱固性酚醛樹脂或者呋喃樹脂作為粘結(jié)劑，成本低廉，安全無毒，操作更方便。本發(fā)明提供的制備方法制備的復(fù)合材料可以用于形成高溫爐內(nèi)的板、管或異形件。
具體實(shí)施例方式為了進(jìn)一步了解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)而不是對本發(fā)明專利要求的限制。本發(fā)明提供了一種炭/炭復(fù)合材料的制備方法，包括a)提供炭纖維坯體；所述炭纖維坯體由至少兩層炭纖維型材編制而成；b)將所述炭纖維坯體浸入樹脂材料中，進(jìn)行浸潰，得到預(yù)制件；c)將所述預(yù)制件進(jìn)行預(yù)固化和熱壓固化成型得到成型件；d)將所述成型件進(jìn)行炭化處理，得到炭/炭復(fù)合材料。為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，先提供炭纖維坯體，所述炭纖維坯體由至少兩層炭纖維型材編制而成。所述炭纖維坯體的制備方法優(yōu)選為將至少一層平紋炭纖維型材和至少一層網(wǎng)狀炭纖維型材疊層鋪設(shè)，并連續(xù)針刺形成炭纖維織物；干燥所述炭纖維織物，得到炭纖維坯體。按照本發(fā)明，所述炭纖維型材由聚丙烯腈基炭纖維、粘膠基炭纖維、浙青基纖維平鋪或編制而成。所述炭纖維型材優(yōu)選為炭纖維布、炭纖維氈、炭纖維編制體或炭纖維板。按照本發(fā)明，所述將所述炭纖維織物的進(jìn)行熱處理的溫度優(yōu)選為10(T15(TC，熱處理時(shí)間根據(jù)編織體大小厚度(為)優(yōu)選為5 10h。所述炭纖維型材的鋪設(shè)方法優(yōu)選為平紋炭布，網(wǎng)狀織物或無緯布交替層疊。按照本發(fā)明，所述熱處理的設(shè)備為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的熱處理設(shè)備，例如鼓風(fēng)干燥箱、紅外干燥箱等具有干燥功能的設(shè)備。熱處理的目的是為了進(jìn)行表面預(yù)處理，將炭纖維表面的水分及雜質(zhì)脫除，提高纖維的浸潤性能。
制備炭纖維坯體后，將所述坯體浸入樹脂材料中，進(jìn)行浸潰，得到預(yù)制件。按照本發(fā)明，所述浸潰的方法優(yōu)選為真空浸潰或加壓浸潰，所述真空浸潰或加壓浸潰使用的裝置為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的加壓浸潰釜或真空浸潰釜。優(yōu)選先抽真空排除坯體中的空氣，然后注入樹脂進(jìn)行真空或加壓浸潰得到預(yù)制件。如果使用加壓浸潰，加壓浸潰釜的壓力優(yōu)選為 I. 6 2. 5MPa。按照本發(fā)明，所述樹脂材料優(yōu)選為酚醛樹脂、呋喃樹脂、環(huán)氧樹脂、聚烯烴樹脂、聚氨酯樹脂中的一種或幾種，更優(yōu)選為酚醛樹脂或呋喃樹脂。優(yōu)選的，所述樹脂材料的炭收率為40% 60%。樹脂材料的質(zhì)量濃度有選為50 70%。真空浸潰或加壓浸潰能夠使樹脂材料充分浸入炭纖維坯體中，增加炭纖維型材之間的結(jié)合力。然后將所述預(yù)制件進(jìn)行預(yù)固化和熱壓固化。所述預(yù)固化使用的設(shè)備優(yōu)選為鼓風(fēng)干燥箱。所述預(yù)固化的溫度優(yōu)選為6(T12(TC，更優(yōu)選為8(T10(TC，預(yù)固化時(shí)間根據(jù)產(chǎn)品尺寸 大小不同優(yōu)選為l(Tl5h。將預(yù)固化完成后的坯體進(jìn)行熱壓固化，所述熱壓固化使用的設(shè)備優(yōu)選為平板熱壓機(jī)。優(yōu)選在13(T250°C下，壓力f6MPa下進(jìn)行。按照本發(fā)明，所述預(yù)固化后的坯體中樹脂材料部分固化，能夠固定在坯體中，降低所述樹脂材料的流動(dòng)性，能夠方便操作并減少熱壓固化所需的時(shí)間。熱壓固化是為了提高坯體的密度，并進(jìn)一步增加坯體的層間結(jié)合力和彎曲強(qiáng)度。將所述坯體制成成型件后進(jìn)行炭化處理。按照本發(fā)明，所述炭化處理優(yōu)選在純氮?dú)庵羞M(jìn)行，炭化溫度優(yōu)選為80(T130(TC，更優(yōu)選為ioo(nioo°c;炭化操作的目的是為了將樹脂基體轉(zhuǎn)化為炭基體，得到炭/炭復(fù)合材料。為了進(jìn)一步增加炭/炭復(fù)合材料的物理性能，需要對所述炭/炭復(fù)合材料進(jìn)行增密處理，即還包括步驟e)將步驟d)得到的炭/炭復(fù)合材料重復(fù)步驟b)和步驟d)操作2飛次。由于增密處理后，炭/炭復(fù)合材料中會(huì)有內(nèi)應(yīng)力，所以還需要對增密處理的后的炭/炭復(fù)合材料進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，即還包括步驟f )將步驟e)得到的炭/炭復(fù)合材料進(jìn)行高溫?zé)崽幚怼Ｋ龈邷責(zé)崽幚硎褂玫脑O(shè)備優(yōu)選為高溫?zé)崽幚頎t，所述高溫?zé)崽幚頊囟葹?80(T250(TC，高溫?zé)崽幚砗筇?炭復(fù)合板材的密度> I. 50g/cm3。按照本發(fā)明，將高溫?zé)崽幚砗蟮奶?炭復(fù)合材料按照需要進(jìn)行機(jī)械加工，所述機(jī)械加工后所得高溫爐用炭/炭板材厚度在O. 7 20_之間。按本發(fā)明提供的制備方法制備的炭/炭復(fù)合材料可以用作高溫爐的內(nèi)層隔熱材料和結(jié)構(gòu)件。以下為本發(fā)明具體實(shí)施例，詳細(xì)闡述本發(fā)明具體方案實(shí)施例I :選擇聚丙烯腈基炭纖維編織體作為坯體，將坯體放入干燥設(shè)備中進(jìn)行烘干除濕，提高坯體的浸潤性。其中坯體結(jié)構(gòu)為平紋炭布與網(wǎng)狀織物疊加鋪層，最后連續(xù)針刺形成整體織物，平紋炭布采用HTA 6KPANCF 0° /90°鋪層，網(wǎng)狀織物則采用T700 12K PANCF編織而成。編織體預(yù)處理溫度為100°C，熱處理時(shí)間8h左右。將烘干除濕后的編織體放在真空浸潰釜中，抽真空到IOOOPa以下，然后注入酚醛樹脂，樹脂濃度為50%。將浸潰后的坯體放入鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行預(yù)固化處理，預(yù)固化溫度為120°C，預(yù)固化時(shí)間為15h。將預(yù)固化充分的坯體放在已經(jīng)預(yù)熱至150°C的平板熱壓機(jī)模具上進(jìn)行熱壓成型，成型壓力為O. 2MPa。將成型后得到的炭/樹脂板材放入炭化爐中在高純N2的保護(hù)下進(jìn)行炭化處理，炭化溫度900°C，炭化時(shí)間8h。將炭化后的板材放入加壓浸潰釜中進(jìn)行加壓樹脂浸潰增密，加壓浸潰壓力為I. 6^2. 5MPa，將增密后的板材按工序5進(jìn)行炭化處理，然后再加壓浸潰，循環(huán)三次，最終炭化后板材的密度高于I. 6g/cm3。將炭化后板材置于高溫?zé)崽幚頎t中在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，高溫?zé)崽幚頊囟葹?80(T2500°C，高溫?zé)崽幚砗筇?炭復(fù)合板材的密度> I. 50g/cm3。 高溫?zé)崽幚砗蟮奶?炭板材經(jīng)機(jī)械加工后，可得到厚度在O. 7 20mm之間的產(chǎn)品，其彎曲強(qiáng)度為llOMPa，抗拉強(qiáng)度為60MPa。實(shí)施例2 選擇國產(chǎn)粘膠基炭纖維編織體作為坯體，將坯體放入干燥設(shè)備中進(jìn)行烘干除濕，提高坯體的浸潤性。其中坯體結(jié)構(gòu)為無緯布與網(wǎng)狀織物疊加鋪層，最后連續(xù)針刺形成整體織物。編織體預(yù)處理溫度為130°C，熱處理時(shí)間IOh左右。將烘干除濕后的編織體放在真空浸潰釜中，抽真空到IOOOPa以下，然后注入酚醛樹脂，樹脂濃度為50%。將浸潰后的坯體放入鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行預(yù)固化處理，預(yù)固化溫度為150°C，預(yù)固化時(shí)間為13h。將預(yù)固化充分的坯體放在已經(jīng)預(yù)熱至170°C的平板熱壓機(jī)模具上進(jìn)行熱壓成型，成型壓力為O. 3MPa。將成型后得到的炭/樹脂板材放入炭化爐中在高純N2的保護(hù)下進(jìn)行炭化處理，炭化溫度900°C,炭化時(shí)間8h。炭化時(shí)板材需帶合適的工裝以保證在樹脂分解炭化時(shí)板材發(fā)
生變形。將炭化后的板材放入加壓浸潰釜中進(jìn)行加壓樹脂浸潰增密，加壓浸潰壓力為
I.6^2. 5MPa，將增密后的板材按工序5進(jìn)行炭化處理，然后再加壓浸潰，循環(huán)三次，最終炭化后板材的密度高于I. 6g/cm3。將炭化后板材置于高溫?zé)崽幚頎t中在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚邷責(zé)崽幚頊囟葹?80(T2500°C，高溫?zé)崽幚砗筇?炭復(fù)合板材的密度> I. 35g/cm3。高溫?zé)崽幚砗蟮奶?炭板材經(jīng)機(jī)械加工后，可得到厚度在O. 7 20mm之間的產(chǎn)品，其彎曲強(qiáng)度為90MPa，抗拉強(qiáng)度為50MPa。以上對本發(fā)明提供的一種高溫爐用炭/炭復(fù)合材料的制備方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種炭/炭復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括 a)提供炭纖維坯體；所述炭纖維坯體由至少兩層炭纖維型材編制而成； b)將所述炭纖維坯體浸入樹脂材料中，進(jìn)行浸潰，得到預(yù)制件； c)將所述預(yù)制件進(jìn)行預(yù)固化和熱壓固化成型得到成型件； d)將所述成型件進(jìn)行炭化處理，得到炭/炭復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，還包括 e)將步驟d)得到的炭/炭復(fù)合材料重復(fù)步驟b)和步驟d)操作2飛次。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，還包括步驟f)將步驟e)得到的炭/炭復(fù)合材料進(jìn)行高溫?zé)崽幚怼?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，步驟a)中的炭纖維坯體通過以下方法制備 將至少一層平紋炭纖維型材和至少一層網(wǎng)狀炭纖維型材疊層鋪設(shè)，并連續(xù)針刺形成炭纖維織物； 將所述炭纖維織物進(jìn)行熱處理，得到炭纖維坯體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述炭纖維型材由聚丙烯腈基炭纖維、粘膠基炭纖維或浙青基纖維平鋪或編制而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，步驟b)中的浸潰為真空浸潰或加壓浸潰。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，所述樹脂材料為酚醛樹脂、呋喃樹月旨、環(huán)氧樹脂、聚烯烴樹脂、聚氨酯樹脂中的一種或幾種。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述樹脂材料的炭收率為409Γ60%。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，步驟c)具體為 Cl)將所述預(yù)制件在6(T12(TC下進(jìn)行預(yù)固化10 15h ； c2)將所述預(yù)固化后的預(yù)制件在溫度為13(T250°C，壓力為f6MPa條件下熱壓固化，得到成型件。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，所述步驟d)中的炭化處理具體為 將所述成型件在氮?dú)鈿夥罩屑訜嶂?0(Tl3(KrC，至所有樹脂材料全部炭化結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種炭/炭復(fù)合材料的制備方法，包括a)提供炭纖維坯體；所述炭纖維坯體由至少兩層炭纖維型材編制而成；b)將所述炭纖維坯體浸入樹脂材料中，進(jìn)行浸漬，得到預(yù)制件；c)將所述預(yù)制件進(jìn)行預(yù)固化和熱壓固化成型得到成型件；d)將所述成型件進(jìn)行炭化處理，得到炭/炭復(fù)合材料。本發(fā)明提供的制備方法制備的炭/炭復(fù)合材料層間結(jié)合力強(qiáng)，彎曲強(qiáng)度高，不容易分層開裂。
文檔編號(hào)C04B35/83GK102936148SQ20121051655
公開日2013年2月20日 申請日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月5日
發(fā)明者楊宇, 張紅波, 左勁旅 申請人:湖南博云新材料股份有限公司