技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于碳碳復(fù)合隔熱材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種抗氧化碳碳復(fù)合隔熱材料的制備方法，是直接用在真空及惰性氣體保護(hù)的高溫爐內(nèi)，能在1000-2500℃的溫度下穩(wěn)定使用，尤其是多晶硅鑄錠爐及單晶硅直拉爐熱場必不可少的隔熱材料。本發(fā)明屬于高溫節(jié)能領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碳碳復(fù)合隔熱材料具有耐高溫、剛性好、加工性好等特點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、通訊光纖、新能源、高性能陶瓷制造、晶體生長領(lǐng)域，而隨著新能源光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，當(dāng)前多晶鑄錠爐及單晶爐熱場的隔熱材料，又廣受關(guān)注成為一個熱點。
碳碳復(fù)合隔熱材料現(xiàn)階段應(yīng)用比較多的領(lǐng)域是多晶硅爐領(lǐng)域以及單晶硅爐領(lǐng)域。高溫爐在使用的過程中為了提高其應(yīng)用效率，經(jīng)常在400℃甚至更高的溫度開爐，開爐后空氣進(jìn)入，非常容易造成碳碳復(fù)合隔熱材料的氧化，最終導(dǎo)致保溫材料的使用壽命降低，有時半年就會更換一次，增加了成本同時也會影響生產(chǎn)效率。因此碳碳復(fù)合隔熱材料的抗氧化性能就成為碳碳復(fù)合隔熱材料的一個非常重要的性能指標(biāo)。
通過在碳碳復(fù)合隔熱材料表面涂覆一層耐高溫抗氧化涂層是比較有效的方法，但是現(xiàn)階段這方面的研究還比較少；并且并不是每一種耐高溫涂層都適合在晶硅爐中使用，因為耐高溫涂層有時候會溢出進(jìn)入硅晶材料中，進(jìn)而影響硅晶材料的發(fā)電效率?，F(xiàn)階段在碳碳復(fù)合隔熱材料表面涂覆一層碳化硅材料是改善其抗氧化性能的非常有效的方法，但是這種方法并不能保證每一根碳纖維都能被碳化硅材料所包覆，因此制備一種能夠完全包覆碳纖維材料的碳化硅涂層成為一個非常重要的研究領(lǐng)域。
因碳化硅3.2的比重及高的升華溫度（約2700℃），碳化硅很適合作為高溫爐的原料。在任何已能達(dá)到的壓力下，它都不會熔化，且具有相當(dāng)?shù)偷幕瘜W(xué)活性。因此用碳化硅粉進(jìn)行包覆碳纖維的方法非常難實現(xiàn)。本文使用碳化硅前驅(qū)體的方法制備碳化硅涂層， 從而提供一種抗氧化碳碳復(fù)合隔熱材料的制備方法。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的在于提供一種能夠完全包覆碳碳復(fù)合隔熱材料的碳化硅涂層，提高碳碳復(fù)合隔熱材料的抗氧化性能。即提供一種抗氧化碳碳復(fù)合隔熱材料的制備方法。
一種抗氧化碳碳復(fù)合隔熱材料是以碳纖維隔熱氈材料作為胚體，胚體經(jīng)過浸漬聚硅烷前驅(qū)體、輻照交聯(lián)、浸漬酚醛樹脂、高溫?zé)Y(jié)等步驟制得的抗氧化碳碳復(fù)合隔熱材料。
一種抗氧化碳碳復(fù)合隔熱材料的制備方法，其抗氧化碳碳復(fù)合隔熱材料的制備過程如下：
(1) 選擇碳纖維隔熱氈材料：本發(fā)明以一種耐高溫碳纖維隔熱氈作為坯體材料，其纖維配向各向異性X-Y平面與Z向纖維份數(shù)比為50-250：1，其克重為500 g/m2-900 g/m2，厚度為1 cm；
(2) 碳化硅前驅(qū)體材料溶液的配制：利用Wurtz耦合法制備的聚碳硅烷作為制備碳化硅的前驅(qū)體材料，將其溶解在二甲苯溶劑中，其濃度為10%，其中聚硅烷的結(jié)構(gòu)為-((R1)Si（R2）)m-((R3)Si（R4）)n-，其中R1-R4為-H，-CH2，-CH=CH2或C6H5；
(3) 碳化硅前驅(qū)體浸漬碳纖維隔熱氈材料：將隔熱氈材料放入上述配制好的碳化硅前驅(qū)體材料溶液中浸漬30分鐘后取出，在真空烘箱中真空干燥1小時，干燥溫度為100℃；隔熱氈材料與碳化硅前驅(qū)體材料溶液的質(zhì)量比為1：1；
（4）輻照交聯(lián)處理：將（3）中制得的材料用聚乙烯塑料袋塑封后，在電子加速器下傳動輻照50 kGy-100 kGy，電子加速器的的能量為2MeV，10mA；
(5) 浸漬酚醛樹脂材料：將（4）中輻照處理過的碳纖維氈使用酚醛樹脂溶液進(jìn)行浸漬，其中酚醛溶液為酚醛乙醇溶液，酚醛的固含量為30-40%；碳纖維氈與酚醛樹脂的質(zhì)量比為1：1-1.5；浸漬在常溫下把通過比例計算的液體浸漬劑噴浸在坯體材料即可，噴浸一定要均勻；
（6）干燥：（5）中浸漬好的纖維氈放在真空設(shè)備中通過負(fù)壓的方式，把乙醇吸收后回收，控制乙醇含量在5%以下；干燥后的樣品掛于鐵絲網(wǎng)架上待用，儲存溫度低于30℃；
（7）裝模壓制固化：在模具中貼好離型紙，再把（6）中浸漬好的坯體材料整齊的裝入模具中，后把模具放到30T型壓機中進(jìn)行一次性成型壓制；壓力為0.625kgf/cm2；帶壓固化，固化溫度室溫到175℃，固化時間3-6小時；推薦以每小時升溫50℃從常溫升到175℃，然后冷卻到50℃以下，從壓機中取出；
（8）高溫?zé)Y(jié)：步驟（7）固化好的中間產(chǎn)品裝入高溫?zé)Y(jié)爐，每塊中間產(chǎn)品利用高密度碳碳材料進(jìn)行限位控制，在10-8000Pa壓力下，以75℃/h升溫到400℃，然后25℃/h升溫到500℃，500℃保溫2小時，然后以每小時25-100℃的升溫速率達(dá)到2400℃，在高溫下進(jìn)行凈化處理，制成金屬雜質(zhì)含量在200ppm以內(nèi)的碳碳復(fù)合隔熱材料；所述的升溫速率建議：25℃/h從500℃升溫到600℃，30℃/h到750℃，在750℃恒溫2小時，然后40℃/h升溫到950℃，50℃/h升溫到1200℃，55℃/h升溫到1500℃，60℃/h升溫到1800℃，70℃/h升溫到2000℃，75℃/h升溫到2200℃，80℃/h升溫到2400℃，2400℃保溫1小時后停止加熱，自然降溫到室溫后出爐。
上述步驟（2）中的前驅(qū)體材料一定要選擇好，盡量選擇含有碳碳雙鍵的官能團(tuán)，以利于輻照交聯(lián)結(jié)構(gòu)的形成。
上述步驟（4）中的輻照樣品一定要放在聚乙烯塑封袋中，防止輻照過程中氧氣的滲入，同時傳動輻照保證及時散熱，輻照劑量也要控制好，控制交聯(lián)程度。
上述步驟（7）中30T壓機為改制的多層熱壓機。壓制工藝為一次性壓制成所需的厚度（如50mm厚碳碳復(fù)合隔熱材料是一次性壓制成53mm后燒結(jié)收縮而成）。一次可以壓制3塊以上的2000mm*2000mm*53mm的固化產(chǎn)品。
上述步驟（7）中的中間產(chǎn)品一定要用高密度碳碳限位塊進(jìn)行控制，控制產(chǎn)品的均勻性，同時有利于材料的受熱均勻性。
上述步驟（8）的高溫處理可對酚醛樹脂進(jìn)行碳化及石墨化。隨著溫度的升高酚醛逐步被碳化，通過碳纖維表面的粗糙結(jié)構(gòu)，碳化后的酚醛碳材料可以很好的和碳纖維進(jìn)行耦合，最終在2400℃下石墨化而制成一種高強輕質(zhì)碳碳復(fù)合隔熱材料。
在高溫?zé)Y(jié)的過程中通過電子束輻照交聯(lián)的聚硅烷就會轉(zhuǎn)化為碳化硅材料包覆在碳纖維表面，起到抗氧化的效果，同時高溫石墨化可以提高碳材料的抗氧化性能，以上抗氧化方法可以極大提高材料的抗氧化性能，材料的使用壽命可以從1年提高到2年以上。
具體實施方式
下面通過實施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但本發(fā)明不僅限于下列實施例。
實施例1
一種抗氧化碳碳復(fù)合隔熱材料的制備方法，其抗氧化碳碳復(fù)合隔熱材料的制備過程如下：
(1) 選擇碳纖維隔熱氈材料：本發(fā)明以一種耐高溫碳纖維隔熱氈作為坯體材料，其纖維配向各向異性X-Y平面與Z向纖維份數(shù)比為50-250：1，其克重為600 g/m2，厚度為10mm；
(2) 碳化硅前驅(qū)體材料溶液的配制：利用Wurtz耦合法制備的聚碳硅烷作為制備碳化硅的前驅(qū)體材料，將其溶解在二甲苯溶劑中，其濃度為10%；其中聚硅烷的結(jié)構(gòu)為-((R1)Si（R2）)m-((R3)Si（R4）)n-，其中R1-R4為-H，-CH2，-CH=CH2或C6H5；
(3) 碳化硅前驅(qū)體浸漬碳纖維隔熱氈材料：將隔熱氈材料放入上述配制好的碳化硅前驅(qū)體材料溶液中浸漬30分鐘后取出，在真空烘箱中真空干燥1小時，干燥溫度為100℃；隔熱氈材料與碳化硅前驅(qū)體材料溶液的質(zhì)量比為1：1；
（4）輻照交聯(lián)處理：將（3）中制得的材料用聚乙烯塑料袋塑封后，在電子加速器下傳動輻照50 kGy，電子加速器的的能量為2MeV，10mA；
(5) 浸漬酚醛樹脂材料：將（4）中輻照處理過的碳纖維氈使用酚醛樹脂溶液進(jìn)行浸漬，其中酚醛溶液為酚醛乙醇溶液，酚醛的固含量為30%；碳纖維氈與酚醛樹脂的質(zhì)量比為1：1；浸漬在常溫下把通過比例計算的液體浸漬劑噴浸在坯體材料即可，噴浸一定要均勻；
（6）干燥：（5）中浸漬好的纖維氈放在真空設(shè)備中通過負(fù)壓的方式，把乙醇吸收后回收，控制乙醇含量在5%以下；干燥后的樣品掛于鐵絲網(wǎng)架上待用，儲存溫度低于30℃；
（7）裝模壓制固化：在模具中貼好離型紙，再把（6）中浸漬好的坯體材料整齊的裝入模具中，后把模具放到30T型壓機中進(jìn)行一次性成型壓制。壓力為0.625kgf/cm2；帶壓固化，固化溫度室溫到175℃，固化時間3小時；推薦以每小時升溫50℃從常溫升到175℃，然后冷卻到50℃以下，從壓機中取出；
（8）高溫?zé)Y(jié)：步驟（7）固化好的中間產(chǎn)品裝入高溫?zé)Y(jié)爐，每塊中間產(chǎn)品利用高密度碳碳材料進(jìn)行限位控制，在10-8000Pa壓力下，以75℃/h升溫到400℃，然后25℃/h升溫到500℃，500℃保溫2小時，以25℃/h從500℃升溫到600℃，30℃/h升溫到750℃，在750℃恒溫2小時，然后40℃/h升溫到950℃，50℃/h升溫到1200℃，55℃/h升溫到1500℃，60℃/h升溫到1800℃，70℃/h升溫到2000℃，75℃/h升溫到2200℃，80℃/h升溫到2400℃，2400℃保溫1小時后停止加熱，自然降溫到室溫后出爐。
實施例2
一種抗氧化碳碳復(fù)合隔熱材料的制備方法，其抗氧化碳碳復(fù)合隔熱材料的制備過程如下：
(1) 選擇碳纖維隔熱氈材料：本發(fā)明以一種耐高溫碳纖維隔熱氈作為坯體材料，其纖維配向各向異性X-Y平面與Z向纖維份數(shù)比為50-250：1，其克重為800 g/m2，厚度為10 mm；
(2) 碳化硅前驅(qū)體材料溶液的配制：利用Wurtz耦合法制備的聚碳硅烷作為制備碳化硅的前驅(qū)體材料，將其溶解在二甲苯溶劑中，其濃度為10%；其中聚硅烷的結(jié)構(gòu)為-((R1)Si（R2）)m-((R3)Si（R4）)n-，其中R1-R4為-H，-CH2，-CH=CH2或C6H5；
(3) 碳化硅前驅(qū)體浸漬碳纖維隔熱氈材料：將隔熱氈材料放入上述配制好的碳化硅前驅(qū)體材料溶液中浸漬30分鐘后取出，在真空烘箱中真空干燥1小時，干燥溫度為100℃；隔熱氈材料與碳化硅前驅(qū)體材料溶液的質(zhì)量比為1：1；
（4）輻照交聯(lián)處理：將（3）中制得的材料用聚乙烯塑料袋塑封后，在電子加速器下傳動輻照60kGy，電子加速器的的能量為2MeV，10mA；
(5) 浸漬酚醛樹脂材料：將（4）中輻照處理過的碳纖維氈使用酚醛樹脂溶液進(jìn)行浸漬，其中酚醛溶液為酚醛乙醇溶液，酚醛的固含量為40%；碳纖維氈與酚醛樹脂的質(zhì)量比為1：1.5；浸漬在常溫下把通過比例計算的液體浸漬劑噴浸在坯體材料即可，噴浸一定要均勻；
（6）干燥：（5）中浸漬好的纖維氈放在真空設(shè)備中通過負(fù)壓的方式，把乙醇吸收后回收，控制乙醇含量在5%以下；干燥后的樣品掛于鐵絲網(wǎng)架上待用，儲存溫度低于30℃；
（7）裝模壓制固化：在模具中貼好離型紙，再把（6）中浸漬好的坯體材料整齊的裝入模具中，后把模具放到30T型壓機中進(jìn)行一次性成型壓制；壓力為0.625kgf/cm2；帶壓固化，固化溫度室溫到175℃，固化時間3小時；推薦以每小時升溫50℃從常溫升到175℃，然后冷卻到50℃以下，從壓機中取出；
（8）高溫?zé)Y(jié)：步驟（7）固化好的中間產(chǎn)品裝入高溫?zé)Y(jié)爐，每塊中間產(chǎn)品利用高密度碳碳材料進(jìn)行限位控制，在10-8000Pa壓力下，以75℃/h升溫到400℃，然后25℃/h升溫到500℃，500℃保溫2小時，以40℃/h從500℃升溫到750℃，在750℃恒溫2小時，然后40℃/h升溫到950℃，50℃/h升溫到1200℃，60℃/h升溫到到1800℃，70℃/h升溫到2200℃，80℃/h升溫到2400℃，2400℃保溫1小時后停止加熱，自然降溫到室溫后出爐。