本发明专利技术公开了一种碳/碳喉衬的制备方法。本发明专利技术的制备方法，在碳纤维预制件主体结构的基础上，引入了内、外功能层。内、外功能层由碳毡制成，密度低，孔隙大，能够增加气体、液体分子的通过性，引导CVD过程中碳源气体更容易进入预制件内部，使气体分子从预制体表面渗透进入内部的过程中逐步分解形成合适的气体组分比例，为生成粗糙层热解炭创造有利条件。另外，功能层可以使后续的浸渍过程中树脂更容易浸入坯体的孔隙中，提高坯料密度。本发明专利技术在CVD沉积阶段有目的控制碳源气种类的使用先后顺序及与之相匹配的工艺参数，使得制备的CVD坯料中热解炭的结构均为粗糙层，能够有效提高产品内外的密度均匀性，提高材料的各项性能指标。提高材料的各项性能指标。提高材料的各项性能指标。
【技术实现步骤摘要】
一种碳/碳喉衬的制备方法
[0001]本专利技术涉及一种碳/碳喉衬的制备方法，属于碳/碳复合材料制备
技术介绍
[0002]喉衬是固体火箭发动机SRM喷管的关键部件，在SRM工作时，喉衬要承受高温气体的超音速冲刷和化学腐蚀，其工作环境极其恶劣。喉衬附近的对流换热强度是整个发动机喷管结构中最剧烈的，一旦热应力超过强度极限，将导致喉衬破碎飞出，轻则损伤火箭发动机，重则导致发射事故。因此高密度高性能的喉衬对喷管及SRM的质量尤为重要。
[0003]碳/碳复合材料具有强度高、高温强度稳定、抗热冲击性能好、耐烧蚀性好、耐固体微粒的燃气冲刷、热膨胀系数小等系列优点，常用于耐高温烧蚀材料、高温结构材料，在航空、航天领域具有良好的应用前景，当前被广泛应用于SRM的喷管喉衬。
[0004]中国专利公开号为CN109291544A的专利公布了一种碳/碳复合材料厚板的预制体结构和厚板制备方法，制得的厚板产品厚度只有20～40mm。中国专利公开号为CN113024269A的专利公布了一种碳/碳高性能超大超厚碳/碳复合材料的制备方法，得到了产品尺寸为(1000
×
300
×
150mm、密度1.85g/cm3的碳/碳复合材料。其坯体形状为长方体，加工成最终的喉衬产品后，密度将会有所降低。
[0005]因此，如何提供一种接近产品实际使用形状，高密度、性能优异的碳/碳喉衬坯料，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
[0006]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种大厚度、高密度、高性能碳/碳喉衬坯料的制备方法。该方法采用化学气相沉积加液相浸渍的方式提高坯料密度，适用于大批量工业化生产。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0008]本专利技术一种碳/碳喉衬的制备方法，包括如下步骤：
[0009]步骤一碳纤维预制体的制备
[0010]所述碳纤维预制件由主体结构，内功能层、外功能组成，主体结构为碳纤维穿刺件，其形状为中空圆柱体，所述内功能层设置于中空圆柱体的内侧面，所述外功能层设置于中空圆柱体的外侧面，所述主体结构的内径小于碳/碳喉衬成品的内径，主体结构的外径大于碳/碳喉衬成品的外径；所述碳纤维预制件的制备过程为：于主体结构的内侧面以及外侧面均环绕包覆一层碳毡，并通过碳纤维内外贯穿复合分别形成内功能层与外功能层；
[0011]步骤二石墨化处理
[0012]将步骤一制备的碳纤维预制件进行石墨化处理；获得石墨化处理的碳纤维预制件；
[0013]步骤三化学气相沉积增密
[0014]将步骤二中经石墨化处理的碳纤维预制件先后进行第一阶段化学气相沉积、机加
工、第二阶段化学气相沉积、机加工，获得碳碳近净坯料；所述第一阶段化学气相沉积所用碳源气体A为丙烯；所述第二阶段化学气相沉积所用碳源气体B为丙烯、丙烷中的至少一种与天然气的混合气体；
[0015]步骤四树脂增密
[0016]将步骤三所得碳碳近净坯料进行树脂浸渍增密至致密，机加工处理，获得碳/碳喉衬成品。
[0017]本专利技术的制备方法，通过在碳纤维预制件主体结构的基础上，引入内功能层、外功能层。内功能层、外功能层由碳毡制成，密度低，孔隙大，其能够增加透气性，引导化学气相沉积CVD过程中碳源气体更容易进入预制件内部。同时，在碳源气体从表面渗透进入预制件内部的过程中，碳源气体逐步发生分解，使气相组份中小分子与大分子的比例达到生成粗糙层热解炭的要求，从而实现大尺寸碳纤维预制件内外均匀致密。另外功能层还能够减轻预制体的重量，降低原材料成本。因为在碳纤维预制体的增密过程中，总是由表面向内部逐渐进行的，不可避免地会导致表面先致密，然后逐渐封孔，使得后续气体和液体无法进入坯料内部进一步增密，所以需要在增密到一定程度后把表面机加工去除，尤其是当不引入功能层时，这种封孔的程度将大的多。因此若是没有功能层，那么去除的这部分就是主体结构部份，主体结构为穿刺件，而功能层为密度更低，成本更低的碳毡，因此当引入功能层时，还能大幅减轻预制体的重量，降低原材料成本。
[0018]而为了使大厚度碳/碳喉衬更好的实现均匀快速的致密，分成两个阶段沉积，在第一个阶段由于碳纤维预制件孔隙大，更有功能层作为引导，使得气体更易进入内部，因此采用分子量大、裂解速度快的丙烯为气源；在第二阶段化学气相沉积时，由于经过上一阶段的沉积，碳纤维逐渐被热解炭包覆，体积变大，纤维之间的间隙减小，采用小分子的天然气，更有利于气体渗透进入坯料内部，从而形成内外密度均匀的结构，同时在在天然气中掺入少量丙烯或丙烷，由于丙烯或丙烷的起始反应温度低，能够在较低温度下发生反应，可以有效引发天然气的分解反应，降低天然气的沉积温度。
[0019]专利技术人发现，通过上述两个阶段的沉积，即能够实现快速均匀的沉积，同时获得均为粗糙层结构的热解炭。而若气源不合理，则会导致形成光滑层热解炭。
[0020]优选的方案，步骤一中，所述主体结构的内径比碳/碳喉衬成品的内径小3～9mm，所述主体结构的外径比碳/碳喉衬成品的外径大3～9mm。
[0021]优选的方案，步骤一中，所述主体结构的体积密度为0.48～0.80g/cm3。
[0022]优选的方案，步骤一中，所述内功能层的厚度为9～26mm，外功能层的厚度为9～26mm。
[0023]专利技术人发现，将功能层的厚度控制在上述范围内，可以确保气体渗透的效果最优，同时由于在CVD的增密过程，不可避免的需要进行机加工去掉表面致密层，以便气体或液体能够继续进入坯料内部，因此将功能层控制在上述厚度，保证在致密完成时，功能层刚好被加工掉，或只有少量偏差。这样，就只需要对主体结构部分进行精加工即可满足交付要求。如果功能层较薄，则可能出现功能层已经完全加工掉了而坯料密度还未达到要求的情况；如果功能层较厚，则不利于气体和液体进入坯料内部，容易形成内外密度差。
[0024]优选的方案，步骤一中，所述主体结构的制备过程为：将无纬布与网毡交替铺层，控制层间密度为8～32层/cm，然后于X、Y方向连续针刺，最后在Z方向用碳纤维进行双向穿
刺获得主体结构。
[0025]进一步的优选，无纬布为0
°
/90
°
交替铺层。
[0026]进一步的优选，无纬布与网毡的质量比为60～80:20～40。
[0027]进一步的优选，穿刺的行距、间距均为1.8～2.2
×
1.8～2.2mm。
[0028]优选的方案，步骤一中，所述内功能层与外功能层所用的碳毡密度均为0.14～0.42g/cm3。
[0029]优选的方案，步骤一中，碳纤维内外贯穿复合分别形成内功能层与外功能层时，环向穿刺密度为9～31针/周，轴向穿刺间距为14～32mm。
[0030]在本专利技术中，功能层与主体结构之间是通过环向穿刺纤维固定的，如果间距过大则功能层可能出现脱落或分层的情况，过小则会导致本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种碳/碳喉衬的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一碳纤维预制体的制备所述碳纤维预制件由主体结构，内功能层、外功能组成。主体结构为碳纤维穿刺件，其形状为中空圆柱体，所述内功能层设置于中空圆柱体的内侧面，所述外功能层设置于中空圆柱体的外侧面，所述主体结构的内径小于碳/碳喉衬成品的内径，主体结构的外径大于碳/碳喉衬成品的外径；所述碳纤维预制件的制备过程为：于主体结构的内侧面以及外侧面均环绕包覆一层碳毡，并通过碳纤维内外贯穿复合分别形成内功能层与外功能层；步骤二石墨化处理将步骤一制备的碳纤维预制件进行石墨化处理，获得石墨化处理的碳纤维预制件；步骤三化学气相沉积增密将步骤二中经石墨化处理的碳纤维预制件先后进行第一阶段化学气相沉积、机加工、第二阶段化学气相沉积、机加工，获得碳碳近净坯料。所述第一阶段化学气相沉积所用碳源气体A为丙烯；所述第二阶段化学气相沉积所用碳源气体B为丙烯、丙烷中的至少一种与天然气的混合气体；步骤四树脂增密将步骤三所得碳碳近净坯料进行树脂浸渍增密至致密，机加工处理，获得碳/碳喉衬成品。2.根据权利要求1所述的一种碳/碳喉衬的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述主体结构的内径比碳/碳喉衬成品的内径小3～9mm，所述主体结构的外径比碳/碳喉衬成品的外径大3～9mm；步骤一中，所述主体结构的体积密度为0.48～0.80g/cm3；步骤一中，所述内功能层的厚度为9～26mm，外功能层的厚度为9～26mm。3.根据权利要求1或2任意一项所述的一种碳/碳喉衬的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述主体结构的制备过程为：将无纬布与网毡交替铺层，控制层间密度为8～32层/cm，然后于X、Y方向连续针刺，最后在Z方向用碳纤维进行双向穿刺获得主体结构；无纬布为0
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交替铺层；无纬布与网毡的质量比为60～80:20～40；穿刺的行距、间距均为1.8～2.2
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1.8～2.2mm。4.根据权利要求1或2任意一项所述的一种碳/碳喉衬的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述内功能层与外功能层所用的碳毡密度均为0.14～0.42g/cm3；步骤一中，碳纤维内外贯穿复合分别形成内功能层与外功能层时，环向穿刺密度为9～31针/周，轴向穿刺间距为14～32mm。5.根据权利要求1所述的一种碳/碳喉衬的制备方法，其特征在于：步骤二中，石墨化处理的过程为：采用100～...
【专利技术属性】
技术研发人员：邵南子，刘婵，陈灵涛，左劲旅，熊杰，沈益顺，
申请(专利权)人：湖南博云新材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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