一种快速制备高韧性非石墨化C/C复合材料的方法

本发明涉及一种高韧性非石墨化c/c复合材料的制备方法。

背景技术：

1、热结构材料在军事和民用领域具有广泛的用途，是一类战略性新兴材料。热结构材料主要包括轻合金、高温合金、难熔金属及其合金、c/sic及其改性复合材料、超高温陶瓷及其复合材料和c/c复合材料等。其中，c/c复合材料的密度仅为镍等金属材料的1/5以下、c/sic复合材料的2/3以下，且在1000℃以上的惰性环境下力学性能衰减程度较低，是一类极具发展前景的新材料。

2、目前，c/c复合材料的主要制备工艺包括以甲烷为碳源前驱体的化学气相沉积/渗透工艺、以沥青为碳源前驱体的热等静压工艺和以热固性树脂为前驱体的浸渍碳化工艺。上述三种工艺制备的c/c复合材料具有不同的应用领域，如由化学气相沉积/渗透工艺制备的c/c复合材料适用于航空飞行器的制动系统、由热等静压工艺制备的c/c复合材料适用于航天飞行器的热防护系统。而由热固性树脂为碳源前驱体制备的c/c复合材料耐磨性较差且石墨化程度难以大幅提高，因此适用于空天飞行器的热结构件和半导体产业的冶炼工装。

3、由热固性树脂为碳源前驱体制备的c/c复合材料有两个技术瓶颈需要突破，一是树脂与碳纤维界面结合较强制备的c/c复合材料韧性较差、表现为脆性断裂模式，二是常规的真空浸渍或热压罐浸渍固化工艺的压力较低均小于5mpa、使粘度较大的树脂难以充分填充孔隙，致密化效率较低。针对上述两个技术难题，需要弱化碳纤维和碳基体之间的界面结合强度来提升复合材料的韧性，需要优化浸渍工艺缩短复合材料的致密化周期。

技术实现思路

1、本发明目的是要解决由热固性树脂为碳源前驱体制备c/c复合材料存在的韧性差、致密化周期长的技术问题，致力于实现非石墨化c/c复合材料的强韧化与快速致密化，提供一种简便的碳纤维界面碳涂层按需构筑与c/c复合材料高效致密化的方法。

2、本发明快速制备高韧性非石墨化c/c复合材料的方法按照以下步骤实现：

3、一、将碳纤维预制体升温至600～1200℃，去除碳纤维表面的上浆剂，得到去除上浆剂的碳纤维预制体；

4、二、将葡萄糖和水混合均匀，加入浓盐酸，得到酸性葡萄糖水溶液；

5、三、将去除上浆剂的碳纤维预制体浸入酸性葡萄糖水溶液中进行真空浸渍，得到碳纤维预制体混合液；

6、四、将碳纤维预制体混合液(盛有碳纤维预制体的葡萄糖水溶液)置于反应釜中，以180～220℃进行水热反应，得到反应后的碳纤维预制体；

7、五、对反应后的碳纤维预制体进行清洗和烘干；

8、六、将步骤五的碳纤维预制体升温至1000～1500℃并保温使葡萄糖涂层转变为碳涂层，得到带有碳涂层的碳纤维预制体；

9、七、重复步骤二至步骤六多次，增加碳纤维预制体上碳涂层的厚度，得到具有界面层的碳纤维预制体；

10、八、将具有界面层的碳纤维预制体浸入碳源前驱体中进行真空浸渍，得到浸渍了碳源前驱体的碳纤维预制体；

11、九、将浸渍了碳源前驱体的碳纤维预制体置于橡胶包套中，以200mpa～400mpa的压力进行等静压处理2～4h，使碳源前驱体充分浸入预制体孔隙内，得到等静压处理后的碳纤维预制体；

12、十、将等静压处理后的碳纤维预制体置于真空干燥箱中加热处理，固化碳源前驱体，得到碳纤维增强的树脂基复合材料；

13、十一、将碳纤维增强的树脂基复合材料升温至1000～1400℃进行裂解处理，得到裂解后的复合材料；

14、十二、裂解后的复合材料浸入碳源前驱体中，重复步骤八至步骤十一多次提高复合材料的密度，得到高韧性非石墨化c/c复合材料；

15、其中步骤八所述的碳源前驱体为热固性树脂。

16、本发明提出利用葡萄糖为原料通过简单的水热合成方式在碳纤维界面按需构筑碳涂层的方法，来优化碳纤维与碳基体的结合强度。本发明以葡萄糖转化的涂层结构能够在碳纤维增强体与碳质基体间形成一层弱界面，该界面能够使碳纤维与碳质基体的界面结合强度下降，在经受外应力时，碳纤维丝束得以充分拔出而不受基体阻碍，故能够吸收大量的能量，实现复合材料强度的提升、断裂模式的改善、断裂韧性的增强；本发明提出利用热固性树脂为原料通过超高压浸渍碳化的工艺实现c/c复合材料的快速致密化，来缩短c/c复合材料的致密化周期。制备的c/c复合材料致密化高、韧性好，在空天飞行器热结构工件和半导体冶炼工装领域具有广泛的应用前景。

17、本发明快速制备高韧性非石墨化c/c复合材料的方法包括以下有益效果：

18、1、能够提升非石墨化c/c复合材料的断裂韧性，从而提高复合材料的应用可靠性。

19、2、能够缩短非石墨化c/c复合材料的制备周期，从而降低复合材料的制备成本。

技术特征：

1.一种快速制备高韧性非石墨化c/c复合材料的方法，其特征在于该快速制备高韧性非石墨化c/c复合材料的方法按照以下步骤实现：

2.根据权利要求1所述的快速制备高韧性非石墨化c/c复合材料的方法，其特征在于步骤一中将碳纤维预制体升温至700～900℃，保温1～2h去除碳纤维表面的上浆剂。

3.根据权利要求1所述的快速制备高韧性非石墨化c/c复合材料的方法，其特征在于步骤二中葡萄糖和水的质量比为1:4～8。

4.根据权利要求1所述的快速制备高韧性非石墨化c/c复合材料的方法，其特征在于步骤三中以90pa的真空度浸渍处理。

5.根据权利要求1所述的快速制备高韧性非石墨化c/c复合材料的方法，其特征在于步骤四中水热反应时间为6～8h。

6.根据权利要求1所述的快速制备高韧性非石墨化c/c复合材料的方法，其特征在于步骤六中将步骤五的碳纤维预制体升温至1200～1400℃并保温1～2h。

7.根据权利要求1所述的快速制备高韧性非石墨化c/c复合材料的方法，其特征在于步骤八中碳源前驱体为酚醛树脂、糠酮树脂或者聚芳基乙炔树脂。

8.根据权利要求1所述的快速制备高韧性非石墨化c/c复合材料的方法，其特征在于步骤八中真空浸渍控制真空度为80～100pa，浸渍时间为1～2h。

9.根据权利要求1所述的快速制备高韧性非石墨化c/c复合材料的方法，其特征在于步骤十中加热处理时间为10～15h。

10.根据权利要求1所述的快速制备高韧性非石墨化c/c复合材料的方法，其特征在于步骤十一中以1200～1400℃裂解处理1～2h。

技术总结一种快速制备高韧性非石墨化C/C复合材料的方法，本发明是要解决由热固性树脂为碳源前驱体制备C/C复合材料存在的韧性差、致密化周期长的问题。制备方法：先将碳纤维预制体浸入酸性葡萄糖水溶液中进行真空浸渍，浸渍后水热反应，碳纤维预制体升温使葡萄糖涂层转变为碳涂层，然后将具有界面层的碳纤维预制体浸入碳源前驱体中进行真空浸渍，将浸渍了碳源前驱体的碳纤维预制体置于橡胶包套中进行等静压处理，再进行裂解处理，得到非石墨化C/C复合材料。本发明利用葡萄糖为原料通过水热合成方式在碳纤维界面按需构筑碳涂层的方法，来优化碳纤维与碳基体的结合强度，提升非石墨化C/C复合材料的断裂韧性，从而提高复合材料的应用可靠性。技术研发人员：胡平,张幸红,冯家鑫,程源,董顺,王义铭,陈子彬,王富帅,杜善义受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29