一种高导热单向碳/碳复合材料及其制备方法

本发明属于碳/碳复合材料制备，具体涉及一种高导热单向碳/碳复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、碳/碳(c/c)复合材料因具有低密度、高比强、低热膨胀系数以及优异的高温力学性能等优势，是航天飞行器热防护系统重要的候选材料，但由于飞行器飞行时气动加热严重，表面积聚大量热量，易使材料过快损伤而失效，因此，提高热防护系统所用材料的导热率，降低材料表面温度与热梯度，被认为是提升材料结构稳定性与服役寿命的有效手段之一。使用具有高导热率的中间相沥青基碳纤维作为增强体，可使c/c复合材料的导热率显著提升。

2、目前，研究者们已在高导热c/c复合材料的设计与制备等方面开展了大量的探索，其中，单向高导热c/c复合材料沿纤维的轴向具有极高的热导率，能充分发挥其定向高导热的能力而受到关注，snead等人(snead l l,burchell t d.thermal conductivitydegradation of graphites due to neutron irradiation at low temperature[j].journal of nuclear materials,1995,224(3):222-229)使用化学气相渗透和沥青浸渍相结合的方式制备了单向高导热c/c复合材料，室温热导率可达746w·m-1·k-1；樊桢等人(樊桢,余立琼,李炜,等.高导热c/c复合材料的设计与制备[j].中国材料进展,2017,36(5):369-376)采用用热压成型-高压液相浸渍致密化-高温石墨化相结合的工艺制备了单向高导热c/c复合材料，室温热导率可达740w·m-1·k-1，但是，可以发现，单向高导热c/c复合材料由于其预制体所使用纤维束内具有大尺寸的孔隙结构，致密化过程困难且易产生闭孔，此外，纤维束间的大尺寸结构中缺乏碳纤维增强相，主要由热解碳进行填充，导致束间的力学主要由热解碳主导，使制备得到的复合材料沿纤维束的径向存在力学性能明显不足的问题。因此，对高导热单向预制体进行结构设计以提升其致密化效率及强化其力学性能是当前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高导热单向碳/碳复合材料及其制备方法，通过对纤维束、单向纤维布的结构和排布方式进行调控与设计，实现微观-介观-宏观尺度上的跨尺度结构设计，得到了具有高导热、高承载和超轻质的单向c/c复合材料。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种高导热单向碳/碳复合材料的制备方法，包括如下过程：

4、将碳纤维束进行展丝，使碳纤维束呈扁平状，得到扁平状碳纤维束；

5、将扁平状碳纤维束平行排列、进行织布，得到碳纤维布；

6、对所述碳纤维布预沉积热解碳；

7、将预沉积热解碳的碳纤维布进行预石墨化处理；

8、将预设层数的预石墨化处理后的碳纤维布进行层叠，得到预制体；所述预制体中，对于相邻两层碳纤维布，其中一层碳纤维布中相邻扁平状碳纤维束的交界与另一层碳纤维布中相邻扁平状碳纤维束的交界位置相互错开；

9、将所述预制体沿厚度方向夹紧，并对预制体沉积热解碳进行致密化，之后再进行石墨化处理，得到所述高导热单向碳/碳复合材料。

10、优选的，碳纤维束采用数量为2k碳纤维束。

11、优选的，所述扁平状碳纤维束的宽度为7-9mm，高度为0.15-0.25mm。

12、优选的，碳纤维布的宽度为12-14cm，高度为0.15-0.25mm。

13、优选的，对碳纤维布沉积热解碳时，利用低压化学气相渗透工艺沉积热解碳，沉积温度为1000-1100℃，压力为2-5kpa，天然气的流速为15-18l/min，沉积时间为30-50min。

14、优选的，将沉积热解碳的碳纤维布进行预石墨化处理时，将沉积热解碳的碳纤维布于2400-2500℃下保温90-120min。

15、优选的，将预设层数的预石墨化处理后的碳纤维布进行层叠时，预石墨化处理后的碳纤维布的总数量为12-15层；

16、将预制体沿厚度方向夹紧时，夹持力为50-60kpa。

17、优选的，预制体沉积热解碳进行致密化时，利用化学气相渗透工艺沉积热解碳进行致密化，沉积温度为1000-1100℃，压力为8-15kpa，天然气的流速为15-18l/min，沉积时间为150-180h；

18、石墨化处理时的温度为2500-2600℃，时间为80-100min。

19、优选的，碳纤维束采用中间相沥青基碳纤维束。

20、本发明还提供了一种高导热单向碳/碳复合材料，该高导热单向碳/碳复合材料通过本发明如上所述的高导热单向碳/碳复合材料的制备方法制得。

21、本发明具有如下有益效果：

22、本发明将碳纤维束进行展丝，使碳纤维束呈扁平状，将扁平状碳纤维束平行排列、进行织布，经过上述过程得到的碳纤维布中，扁平状碳纤维束与扁平状碳纤维束之间贴合紧密程度高、孔隙结构相对较少且分布相对均匀，有利于热解碳的沉积以及增强了扁平状碳纤维束与扁平状碳纤维束之间的结合强度；预制体中，对于相邻两层碳纤维布，其中一层碳纤维布中相邻扁平状碳纤维束的交界与另一层碳纤维布中相邻扁平状碳纤维束的交界位置相互错开，该层叠方式是一种仿墙体砖砌式铺层结构，能够增强碳纤维之间以及扁平状碳纤维束之间的界面结合强度，该仿墙体砖砌式铺层结构，使每一层单向纤维布能够有效承载，二者的共同作用下提升了单向高导热c/c复合材料沿径向的抗弯性能。本发明中通过对碳纤维布预沉积热解碳，利用热解碳能够对碳纤维束之间的孔隙进行填充，有利于后续叠层后预制体的致密化。将预沉积热解碳的碳纤维布进行预石墨化处理，可以使沉积热解碳致密化后的碳纤维布在进行后续石墨化处理时，碳纤维束内的结构不收缩，后沉积的热解碳收缩时产生的力可有效的夹紧碳纤维束，进而构造层间靠近碳纤维束一侧形成压应力的界面层，提高碳纤维束的整体增强效果。综上，本发明通过对碳纤维束、单向纤维布的结构和排布方式进行调控与设计，实现微观-介观-宏观尺度上的跨尺度结构设计，得到了具有高导热、高承载和超轻质的单向c/c复合材料。

技术特征：

1.一种高导热单向碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下过程：

2.根据权利要求1所述的一种高导热单向碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于，碳纤维束采用数量为2k碳纤维束。

3.根据权利要求1所述的一种高导热单向碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述扁平状碳纤维束的宽度为7-9mm，高度为0.15-0.25mm。

4.根据权利要求1所述的一种高导热单向碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于，碳纤维布的宽度为12-14cm，高度为0.15-0.25mm。

5.根据权利要求1所述的一种高导热单向碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于，对碳纤维布沉积热解碳时，利用低压化学气相渗透工艺沉积热解碳，沉积温度为1000-1100℃，压力为2-5kpa，天然气的流速为15-18l/min，沉积时间为30-50min。

6.根据权利要求1所述的一种高导热单向碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于，将沉积热解碳的碳纤维布进行预石墨化处理时，将沉积热解碳的碳纤维布于2400-2500℃下保温90-120min。

7.根据权利要求1所述的一种高导热单向碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于，将预设层数的预石墨化处理后的碳纤维布进行层叠时，预石墨化处理后的碳纤维布的总数量为12-15层；

8.根据权利要求1所述的一种高导热单向碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于，预制体沉积热解碳进行致密化时，利用化学气相渗透工艺沉积热解碳进行致密化，沉积温度为1000-1100℃，压力为8-15kpa，天然气的流速为15-18l/min，沉积时间为150-180h；

9.根据权利要求1所述的一种高导热单向碳/碳复合材料的制备方法，其特征在于，碳纤维束采用中间相沥青基碳纤维束。

10.一种高导热单向碳/碳复合材料，其特征在于，该高导热单向碳/碳复合材料通过权利要求1-9任意一项所述的高导热单向碳/碳复合材料的制备方法制得。

技术总结本发明公开了一种高导热单向碳/碳复合材料及其制备方法，将碳纤维束进行展丝，使碳纤维束呈扁平状，得到扁平状碳纤维束；将扁平状碳纤维束平行排列、进行织布，得到碳纤维布；对碳纤维布沉积热解碳；将沉积热解碳的碳纤维布进行预石墨化处理；将预设层数的预石墨化处理后的碳纤维布进行层叠，得到预制体；扁平状碳纤维束呈仿砖砌结构布置；将预制体沿厚度方向夹紧，并对预制体沉积热解碳进行致密化，之后再进行石墨化处理，得到高导热单向碳/碳复合材料。通过对纤维束、单向纤维布的结构和排布方式进行调控与设计，实现微观‑介观‑宏观尺度上的跨尺度结构设计，得到了具有高导热、高承载和超轻质的单向C/C复合材料。技术研发人员：宋强,张若茜,沈庆凉,薛正航,张守阳,李伟,付前刚,李贺军受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13