一種碳/碳復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于復合材料制備技術領域，具體涉及一種C/C復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]碳/碳復合材料作為一種性能獨特的新型碳材料，綜合了碳纖維與碳材料的優(yōu)異性能，不僅限于航空、航天等尖端技術領域，已經(jīng)擴展到交通、化工、體育和醫(yī)學等諸多民用領域。從采用石油或煤瀝青的液相浸漬技術，到利用氣態(tài)烴類物質的化學氣相沉積技術，以及最新的利用液態(tài)烴的膜沸騰沉積技術，石化燃料及其衍生物是制備碳/碳復合材料的重要碳源。然而，石化燃料是不可再生資源，碳/碳復合材料的需求日益增大給日趨嚴峻的能源危機帶來了壓力。石化燃料的裂解過程復雜，副反應產(chǎn)物多為結構復雜的廢氣或碳煙顆粒物，對環(huán)境的污染也不容小視。碳/碳復合材料的發(fā)展面臨綠色制造的新挑戰(zhàn)，開發(fā)高效、節(jié)能、環(huán)保和可循環(huán)的新工藝和新技術，成為碳/碳復合材料的研宄熱點。
[0003]生物質作為地球上碳元素儲存的另一種方式，具有可再生，低污染，分布廣泛的特點被認為是人類取之不盡的資源寶庫，生物質替代石化燃料來解決能源安全問題代表著新能源的發(fā)展方向，也為碳/碳復合材料提供了新的碳源選擇。專利[一種制備碳/碳復合材料的方法，201310211922.2]提供了一種水熱碳化制備碳/碳復合材料的方法，該方法以生物質作為碳源，利用水熱技術成功的制備了碳/碳復合材料。但是水熱碳化過程中碳易在碳纖維預制體表面沉積，使得制備周期較長，復合材料的密度分布不均勻。傳統(tǒng)的碳/碳復合材料制備技術中，為了解決碳在預制體表面結殼的問題，采用熱梯度的方法最為有效。專利[熱梯度化學氣相滲透快速制備碳/碳復合材料的方法，200510096306.2]，利用在熱梯度化學氣相滲透裝置中用上、下獨立的兩個石墨發(fā)熱體加熱，提供了一種熱梯度沉積的裝置和方法，大幅度的提升了碳/碳復合材料的化學氣相滲透致密化速率。然而，該方法依然是以不可以再生的石化燃料作為原料來制備碳/碳復合材料，合成溫度高，裂解過程會排出大量的結構復雜的廢氣或碳煙顆粒物，污染環(huán)境。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種高效可行、低成本的碳/碳復合材料及其制備方法，該方法制得的碳/碳復合材大幅提升水熱碳化制備碳/碳復合材料的致密化速率。
[0005]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下的技術方案:
[0006]一種碳/碳復合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0007](I)將生物質碳源溶于水或分散于水中，配制碳源水溶液或懸浮液；
[0008](2)將碳源水溶液或懸浮液加入到反應釜中，再將套裝有碳纖維預制體的加熱管放入反應釜中，然后加熱進行水熱碳化反應，反應的溫度為120°C?200°C，反應的時間為
4?8h ;
[0009](3)將反應釜內的液體倒出，向反應釜內加入步驟(I)配制的碳源水溶液或懸浮液，然后加熱進行水熱碳化反應，反應的溫度為120°C?200°C，反應的時間為4?8h ;
[0010](4)重復步驟(3)3?5次，得到碳/碳復合材料。
[0011]所述生物質碳源為水溶性的糖類化合物或纖維素。
[0012]所述水溶性的糖類化合物為葡萄糖、蔗糖或淀粉。
[0013]所述碳源水溶液的濃度為100?300g/L ;懸浮液是通過向每升水中加入100?
300克的纖維素制得。
[0014]所述碳纖維預制體為碳氈、碳纖維針刺氈或碳布疊層。
[0015]所述碳纖維預制體的密度為0.2g?0.6g/cm3，且碳纖維預制體為圓筒狀。
[0016]所述步驟⑵和步驟(3)中反應釜的填充比均為0.4?0.6。
[0017]一種C/C復合材料，該C/C復合材料密度為1.3?1.7g/cm3，抗彎強度為150MPa?200MPa，楊氏模量為9.0?10.5GPa。
[0018]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有的有益效果:本發(fā)明以生物質碳源為原材料，在水熱條件下生物質碳源能夠水解的淀粉、纖維素，通過水熱碳化技術在碳纖維預制體內沉積碳，利用構造的熱梯度水熱環(huán)境使得碳沿熱梯度方向沉積致密化，且熱梯度水熱碳化通過反應釜內置加熱管來實現(xiàn)，加熱管加熱時，形成一個由加熱管向反應釜內壁逐漸降低的熱梯度，實現(xiàn)碳/碳復合材料的致密化。
[0019]熱梯度水熱碳化技術制備碳/碳復合材料具有以下的特點:
[0020]其一，以生物質碳源作為碳源，由于生物質碳源可再生，來源廣，制備成本低，綠色環(huán)保；
[0021]其二，水熱碳化的沉積方式，制備溫度低，副產(chǎn)物為有機碳材料，易回收處理，綠色環(huán)保；
[0022]其三，水熱碳化過程中利用生物質水解、縮聚、芳構化、碳材料形核等過程所需的溫度上的差異，在熱梯度的作用下，使得生物質在低溫的溶液體系中水解、縮聚、芳構化，而在高溫的區(qū)域實現(xiàn)碳材料的形核和長大，實現(xiàn)碳/碳復合材料在熱梯度方向上實現(xiàn)逐層沉積，可以有效的避免復合材料致密化過程中的表面結殼問題，從而大幅度的提高致密化效率，適合于工業(yè)化生產(chǎn)，特別適用于厚壁筒狀碳/碳復合材料的制備。本發(fā)明的制備方法具有環(huán)境友好無污染、致密化周期短、反應溫度低，操作簡單、重復性好等優(yōu)點。
[0023]本發(fā)明提供了一種熱梯度水熱制備碳/碳復合材料的新方法，在繼承了水熱碳化原料可再生，合成溫度低，綠色環(huán)保的基礎上，結合了熱梯度沉積技術致密化效率高的特點。
[0024]本發(fā)明制得的C/C復合材料由碳纖維、生物質碳復合而成，是以生物質碳為基體的碳纖維增強復合材料，復合材料表面富含大量的羥基和羰基，具有良好的生物活性，且C/C復合材料為圓筒狀，C/C復合材料的外徑為反應釜內徑的1/3?2/3之間；該C/C復合材料密度為1.3?1.7g/cm3，抗彎強度為150MPa?200MPa，楊氏模量為9.0?10.5GPa，可作為高溫結構材料、摩擦磨損材料和生物醫(yī)療材料得到應用，具有廣闊的前景。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明熱梯度水熱碳化反應釜的示意圖；
[0026]圖2是本發(fā)明制備的碳/碳復合材料的微觀結構圖。
[0027]圖中，I為反應釜，2為加熱管，3為控溫熱電偶，4為壓力表，5為C/C復合材料，6為密封蓋。
【具體實施方式】
[0028]下面結合具體實施例對本發(fā)明做進一步闡述。
[0029]參見圖1，本發(fā)明中利用的反應釜的結構示意圖，加熱管2為圓柱狀，碳纖維預制體為圓筒狀，將加熱管2豎直放入反應釜I內，并且將碳纖維預制體套裝在加熱管2上，蓋上密封蓋6，經(jīng)過水熱碳化反應，得到筒狀的C/C復合材料5，反應釜I內還設置有用于監(jiān)控溫度的控溫熱電偶3，出于安全考慮，反應釜I上還設置有用于檢測反應壓力的壓力表4。
[0030]本發(fā)明中的纖維素為水熱條件下能夠水解的纖維素。本發(fā)明中若步驟(2)中將碳源水溶液加入到反應釜中則步驟(3)中，向反應釜內加入步驟(I)配制的碳源水溶液；若步驟(2)中將懸浮液加入到反應釜中則步驟(3)中，向反應釜內加入步驟(I)配制的懸浮液；步驟(3)中加入碳源水溶液或懸浮液是為了補充碳源。
[0031]實施例1:
[0032](I):將葡萄糖溶解在水中，得到濃度為100g/L的葡萄糖溶液；
[0033](2):將密度為0.2g/cm3圓筒形整體碳氈套裝在加熱管上；圓筒碳氈的外徑為反應釜內徑的1/3。
[0034](3):將步驟(I)得到的葡萄糖溶液加入到反應釜中，將步驟(2)套裝好碳纖維預制體的加熱管與反應釜組裝好后開始加熱反應，反應溫度控制在120°C，反應時間控制在8h，填充比控制在0.4。
[0035](4):將步驟(3)反應結束后的反應釜打開，倒出反應釜內的液體，然后加入步驟(I)中的葡萄糖溶液，填充比控制在0.4，然后加熱反應，反應溫度控制在120°C，反應時間控制在8h。
[0036](5):重復步驟(4)三次，得到碳/碳復合材料。本實施例中重復步驟(4)三次，可使密度達到1.30g/cm3。
[0037]本實施例所得碳/碳復合材料密度為1.30g/cm3，抗彎強度為150MPa，楊氏模量為9.0GPa0
[0038]實施例2:
[0039](I):將蔗糖在水中溶解，得到濃度為200g/L的蔗糖溶液；
[0040](2):將密度為0.4g/cm3圓筒形碳纖維針刺氈套裝在加熱管上，圓筒形碳纖維針刺氈的外徑為反應釜內徑的1/2。
[0041](3):將步驟⑴得到的蔗糖溶液加入反應釜中，將步驟(2