本發(fā)明屬于碳/碳復(fù)合材料制備方法，涉及一種提高二維碳/碳復(fù)合材料力學(xué)性能的方法。

背景技術(shù)：

碳/碳(C/C)復(fù)合材料高溫力學(xué)性能優(yōu)異，是一種極為重要的航空、航天戰(zhàn)略材料，而其中應(yīng)用最為廣泛的主要是2D-C/C復(fù)合材料。新一代航空發(fā)動機(jī)和空天飛行器的研制對C/C復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能提出了更加苛刻的要求。C/C復(fù)合材料由碳纖維和熱解碳基體組成，雖然C/C復(fù)合材料的彎曲性能主要由纖維的性能決定，然而基體碳和纖維-基體碳的性能在很大程度上影響了C/C復(fù)合材料的韌性和強(qiáng)度。按照石墨微晶取向度由低到高的變化趨勢，可以將熱解碳分為低織構(gòu)、中織構(gòu)和高織構(gòu)三類。采用高織構(gòu)熱解碳基體的C/C復(fù)合材料具有韌性好的優(yōu)點，但是由于高織構(gòu)熱解碳基體本身模量較低且纖維-基體界面較弱，此類C/C復(fù)合材料的宏觀模量也較低，在低彎曲應(yīng)力條件下易發(fā)生層間破壞。采用低織構(gòu)熱解碳基體的C/C復(fù)合材料基體碳模量高且纖維-基體界面強(qiáng)度高，因而模量較高，但是由于低織構(gòu)熱解碳本身韌性較差，此類C/C復(fù)合材料存在脆性大，纖維強(qiáng)度利用率低的特點。目前，主要研究工作主要通過纖維表面處理(Zhang SH,Liang GZ,Zhang W,Zeng JF.Effect of surface modification of fibers with a polymer coating on the interlaminar shear strength of a composite and the translation of fiber strength in an F-12aramid/epoxy composite vessel.Mech Compos Mater 2006；42:507-12；Zhang LL,Li HJ,Song Q,Lu JH,Zhang YL,Li W,et al.Surface characterisation and in vitro behaviour of carbon/carbon composites with various surface modifications.Mater Technol 2014；29:134-8.)、引入碳納米管等方法(Yu H-y,Lu J-h,Song Q,Li K-z,Li H-j,Fu Q-g,et al.Compressive properties of carbon/carbon composites reinforced by carbon nanotubes with different orientations and lengths.Vacuum 2014；99:76-9；Xiao P,Lu XF,Liu YQ,He LL.Effect of in situ grown carbon nanotubes on the structure and mechanical properties of unidirectional carbon/carbon composites.Mat Sci Eng a-Struct 2011；528:3056-61.),改善纖維-基體界面和強(qiáng)韌化熱解碳基體，但是該類方法成本較高，目前無法實現(xiàn)大規(guī)模的商用。另外，有研究提出圍繞纖維的多層熱解碳界面的設(shè)計方法，通過界面的裂紋偏轉(zhuǎn)功能達(dá)到增強(qiáng)強(qiáng)度和韌性的目的，但是此類方法對整體氈材料的作用效果較明顯，當(dāng)應(yīng)用于2D疊層C/C復(fù)合材料的時候，不能有效的優(yōu)化層間界面應(yīng)力(Reznik B,Guellali M,Gerthsen D,Oberacker R,Hoffmann W.Microstructure and mechanical properties of carbon-carbon composites with multilayered pyrocarbon matrix.Materials Letters 2002；52:14-19；Guellali M,Oberacker R,Hoffmann M.Influence of the matrix microstructure on the mechanical properties of CVI-infiltrated carbon fiber felts.Carbon 2005；43:1954-1960)。針對2D疊層C/C復(fù)合材料，目前尚未有有效的方法實現(xiàn)其層間應(yīng)力的優(yōu)化，如何結(jié)合兩種材料高韌性、高模量的優(yōu)點以滿足新一代航空、航天飛行器對C/C復(fù)合材料的性能要求，是該領(lǐng)域研究的關(guān)鍵問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種提高二維碳/碳復(fù)合材料力學(xué)性能的方法，旨在通過優(yōu)化層間應(yīng)力設(shè)計，合理利用高織構(gòu)熱解碳和低織構(gòu)熱解碳各自的優(yōu)點，達(dá)到提高C/C復(fù)合材料強(qiáng)度和模量，同時保證C/C復(fù)合材料斷裂韌性的目的。

技術(shù)方案

一種提高二維碳/碳復(fù)合材料力學(xué)性能的方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：以多孔石墨模板雙面緊固單層纖維布，置于化學(xué)氣相CVD爐進(jìn)行表面熱解碳的沉積，沉積時間為10～100小時，在纖維布表面獲得高織構(gòu)或低織構(gòu)的熱解碳涂層，制成表面附有熱解碳涂層的纖維布HT-CF；

所述獲得高織構(gòu)熱解碳涂層的工藝參數(shù)：CH₄分壓：0.1～30KPa,沉積溫度：1100℃～1200℃；

所述獲得低織構(gòu)的熱解碳涂層的工藝參數(shù)：CH₄分壓：30～80KPa,沉積溫度：1000℃～1100℃；

步驟2：將獲得的表面附有熱解碳涂層的纖維布按如下原則疊放，獲得致密化所需的預(yù)制體：

將單層或多層疊放的HT-CF標(biāo)記為A，將另外單層或多層疊放的LT-CF標(biāo)記為B，再將A和B按照ABAB…或者BABA…的順序交替疊放，最后，將疊放好的纖維布壓緊，得到預(yù)制體；

步驟3：以多孔石墨模板雙面緊固預(yù)制體，置于高溫沉積路中完成最終的致密化CVD過程，致密化工藝參數(shù)如下：CH₄分壓：0.1～60KPa,沉積溫度：1050℃～1150℃；致密化時間為500～1000小時，致密化后獲得的二維碳/碳復(fù)合材料的力學(xué)性能得到提高。

有益效果

本發(fā)明提出的一種提高二維碳/碳復(fù)合材料力學(xué)性能的方法，將不同織構(gòu)熱解碳交替引入不同的纖維層內(nèi)，同時保留了低織構(gòu)熱解碳彎曲模量高和高織構(gòu)熱解碳韌性好的特點，同時利用兩種熱解碳熱膨脹系數(shù)之間的差異，在低織構(gòu)熱解碳層中引入壓縮應(yīng)力，提高了低織構(gòu)熱解碳層的臨界破壞應(yīng)力。通過該方法，可以獲得高強(qiáng)度和高韌性的C/C復(fù)合材料，與采用純高織構(gòu)基體的C/C復(fù)合材料相比，強(qiáng)度和模量分別提高約60％～120％和30％～60％。本發(fā)明的顯著優(yōu)點在于：本發(fā)明的制備方法簡單、成本低、制備過程無污染，能夠應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)，具備顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

附圖說明

圖1：本發(fā)明2D-C/C復(fù)合材料層間應(yīng)力設(shè)計方法的主要流程示意圖

圖2：按照實施例1所制備試樣與未進(jìn)行層間應(yīng)力設(shè)計C/C復(fù)合材料的彎曲載荷-位移曲線及相關(guān)性能數(shù)據(jù)。

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

實施案例1：

1)將面內(nèi)尺寸為150mm×100mm的單層纖維布使用尺寸為150mm×100mm×3mm的多孔矩形石墨模板雙面緊固以保持纖維布的平整，至于高溫爐中進(jìn)行表面熱解碳的沉積，采用不同的沉積參數(shù)，沉積時間為20小時，在纖維布表面獲得不同織構(gòu)的熱解碳涂層。

在纖維表面獲得附有高織構(gòu)熱解碳涂層的單層纖維布(HT-CF)的工藝參數(shù)：

CH₄分壓：10KPa,沉積溫度：1150℃；

在纖維表面獲得附有低織構(gòu)熱解碳涂層的單層纖維布(LT-CF)的工藝參數(shù)：

CH4分壓：40KPa,沉積溫度：1050℃；

2)將步驟1所獲得的表面附有不同織構(gòu)的熱解碳涂層的纖維布按如下原則疊放，獲得致密化所需的預(yù)制體：

將單層HT-CF標(biāo)記為A，另外將單層LT-CF標(biāo)記為B，將A和B按照ABAB…的順序交替疊放共20層，最后，將疊放好的纖維布壓緊，獲得步驟3)所需的預(yù)制體。

3)將疊放碳纖維布獲得的預(yù)制體在再次使用多孔石墨模板雙面緊固，再次置于高溫沉積路中完成最終的致密化過程，致密化工藝參數(shù)如下：CH₄分壓：20KPa,沉積溫度：1050℃，致密化時間為500小時，致密化后獲得最終產(chǎn)品。由圖2可知，該實例中經(jīng)過界面應(yīng)力優(yōu)化的C/C復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和模量分別較未經(jīng)界面應(yīng)力優(yōu)化的C/C復(fù)合材料增加了113％和49％。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。

實施案例2：

1)將面內(nèi)尺寸為150mm×100mm的單層纖維布使用尺寸為150mm×100mm×3mm的多孔矩形石墨模板雙面緊固以保持纖維布的平整，至于高溫爐中進(jìn)行表面熱解碳的沉積，采用不同的沉積參數(shù)，沉積時間為20小時，在纖維布表面獲得不同織構(gòu)的熱解碳涂層。

在纖維表面獲得附有高織構(gòu)熱解碳涂層的單層纖維布(HT-CF)的工藝參數(shù)：

CH₄分壓：20KPa,沉積溫度：1100℃；

在纖維表面獲得附有低織構(gòu)熱解碳涂層的單層纖維布(LT-CF)的工藝參數(shù)：

CH₄分壓：60KPa,沉積溫度：1050℃；

2)將步驟1所獲得的表面附有不同織構(gòu)的熱解碳涂層的纖維布按如下原則疊放，獲得致密化所需的預(yù)制體：

將雙層HT-CF標(biāo)記為A，另外將雙層LT-CF標(biāo)記為B，將A和B按照ABAB…的順序交替疊放共20層，最后，將疊放好的纖維布壓緊，獲得步驟3)所需的預(yù)制體。

3)將疊放碳纖維布獲得的預(yù)制體在再次使用多孔石墨模板雙面緊固，再次置于高溫沉積路中完成最終的致密化過程，致密化工藝參數(shù)如下：CH₄分壓：30KPa,沉積溫度：1050℃，致密化時間為400小時，致密化后獲得最終產(chǎn)品。由圖2可知，該實例中經(jīng)過界面應(yīng)力優(yōu)化的C/C復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和模量分別較未經(jīng)界面應(yīng)力優(yōu)化的C/C復(fù)合材料增加了82％和40％。

實施案例3：

1)將面內(nèi)尺寸為150mm×100mm的單層纖維布使用尺寸為150mm×100mm×3mm的多孔矩形石墨模板雙面緊固以保持纖維布的平整，至于高溫爐中進(jìn)行表面熱解碳的沉積，采用不同的沉積參數(shù)，沉積時間為20小時，在纖維布表面獲得不同織構(gòu)的熱解碳涂層。

在纖維表面獲得附有高織構(gòu)熱解碳涂層的單層纖維布(HT-CF)的工藝參數(shù)：

CH₄分壓：15KPa,沉積溫度：1130℃；

在纖維表面獲得附有低織構(gòu)熱解碳涂層的單層纖維布(LT-CF)的工藝參數(shù)：

CH₄分壓：50KPa,沉積溫度：1050℃；

2)將步驟1所獲得的表面附有不同織構(gòu)的熱解碳涂層的纖維布按如下原則疊放，獲得致密化所需的預(yù)制體：

將三層HT-CF標(biāo)記為A，另外將三層LT-CF標(biāo)記為B，將A和B按照ABAB…的順序交替疊放共20層，最后，將疊放好的纖維布壓緊，獲得步驟3)所需的預(yù)制體。

3)將疊放碳纖維布獲得的預(yù)制體在再次使用多孔石墨模板雙面緊固，再次置于高溫沉積路中完成最終的致密化過程，致密化工藝參數(shù)如下：CH₄分壓：45KPa,沉積溫度：1050℃，致密化時間為350小時，致密化后獲得最終產(chǎn)品。由圖2可知，該實例中經(jīng)過界面應(yīng)力優(yōu)化的C/C復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和模量分別較未經(jīng)界面應(yīng)力優(yōu)化的C/C復(fù)合材料增加了73％和42％。