一种基于聚芳基乙炔树脂快速制备高密度C/C复合材料的方法技术

一种基于聚芳基乙炔树脂快速制备高密度C/C复合材料的方法，本发明专利技术的目的是为了解决现有C/C复合材料制备周期长、石墨化程度低、抗烧蚀能力差等问题。制备方法：一、将聚芳基乙炔树脂和溶剂混合；二、将低粘度树脂溶液与碳纤维编织体进行真空浸渍；三、再进行等静压处理；四、烘箱固化；五、裂解处理；六、石墨化处理；七、将石墨化后的C/C复合材料浸渍到低粘度树脂溶液中，再经真空浸渍、等静压处理、固化处理、裂解处理、石墨化处理；八、重复步骤七多次。本发明专利技术获得的C/C复合材料密度能大于1.90g/cm3、致密度高、力学性能与抗氧化烧蚀性能优异，制备周期短、设备依赖性低，可用于复杂形状大尺寸C/C复合材料的制备。C/C复合材料的制备。C/C复合材料的制备。

【技术实现步骤摘要】
一种基于聚芳基乙炔树脂快速制备高密度C/C复合材料的方法


[0001]本专利技术涉及一种基于聚芳基乙炔树脂制备高密度C/C复合材料的方法，具体是一种首先通过真空浸渍及冷等静压工艺将低粘度聚芳基乙炔树脂溶液完全填充碳纤维编织体孔隙，然后升温固化并裂解实现C/C复合材料的制备，最后多次循环碳化及石墨化工艺快速制备出高密度C/C复合材料的方法。

技术介绍

[0002]C/C是由碳纤维增强体和碳质基体组成的一类极具前景的超高温结构复合材料，具有低密度、优异的力学性能、杰出的热物理性能以及出色的耐烧蚀性能，是3000℃以上使役环境唯一候选材料，被广泛应用于航空、航天、轨道交通、核能、特种高温设备、医学等领域，如固体火箭发动机喷嘴、高速飞行器前缘、飞机刹车盘、加热电极、单晶硅冶炼炉与人造骨骼等。
[0003]历经近50年的研究，逐步形成了以树脂浸渍裂解工艺、沥青热等静压工艺与化学气相沉积工艺为代表的三类典型C/C复合材料制备技术路线。相比利用沥青作为碳源前驱体的热等静压工艺和以碳氢气体的化学气相沉积/渗透工艺，利用树脂为碳源前驱体的浸渍裂解工艺具有绿色、低成本、短周期的显著优势。但酚醛、糠酮树脂等传统碳源前驱体存在碳产率低、石墨化困难等缺点，导致C/C复合材料制备周期长、石墨化程度低、抗烧蚀能力差。研究人员试图通过添加多种形式的催化剂如铁、镍、硅、硼等，利用催化剂与碳形成固溶体再析出石墨晶体，以提高树脂碳的石墨化度。但催化剂体积含量较高，在超高温使役环境下优先融化、升华，暴露了大量的结构缺陷，导致C/C复合材料耐烧蚀较差，使其使用受限。因此，不利用催化石墨化技术实现树脂碳的高度石墨化是限制树脂前驱体制备高性能C/C复合材料的技术瓶颈。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决现有C/C复合材料制备周期长、石墨化程度低、抗烧蚀能力差等问题，而提供一种通过多次PAA树脂粘度调控、真空浸渍、冷等静压以及裂解、石墨化，实现了高密度C/C复合材料的快速制备。
[0005]本专利技术基于聚芳基乙炔树脂快速制备高密度C/C复合材料的方法按照以下步骤实现：
[0006]一、按体积分数称取聚芳基乙炔(PAA)树脂和溶剂置于烧杯中，通过加热、搅拌混合均匀，得到低粘度树脂溶液；
[0007]二、将低粘度树脂溶液与碳纤维编织体置于真空烘箱中，控制真空烘箱中的真空度为80～100Pa进行真空浸渍，得到浸渍有PAA树脂的碳纤维编织体；
[0008]三、将浸渍有PAA树脂的碳纤维编织体置于橡胶包套中，采用冷等静压设备以100MPa～500MPa的压力进行等静压处理，使树脂充分浸入编织体孔隙内，得到等静压处理
后的碳纤维编织体；
[0009]四、将等静压处理后的碳纤维编织体置于烘箱中并调节温度，使PAA树脂凝胶、固化处理，获得致密碳纤维增强PAA树脂复合材料；
[0010]五、将致密碳纤维增强PAA树脂复合材料置于裂解炉中以800℃～1500℃的温度裂解处理，得到碳/碳(C/C)复合材料；
[0011]六、将碳/碳(C/C)复合材料置于石墨化炉中，以2000℃～2950℃的温度石墨化处理，得到石墨化后的C/C复合材料；
[0012]七、将石墨化后的C/C复合材料浸渍到低粘度树脂溶液中，再经真空浸渍、等静压处理、固化处理、裂解处理、石墨化处理，得到C/C复合材料坯体；
[0013]八、重复步骤七的过程多次，直至达到理想密度，得到高密度C/C复合材料；
[0014]其中步骤一中聚芳基乙炔树脂的体积分数为80％～90％。
[0015]本专利技术基于聚芳基乙炔树脂快速制备高密度C/C复合材料的方法包括以下有益效果：
[0016]本专利技术中聚芳基乙炔(PAA)树脂单体为间二乙炔基苯和苯乙炔，单体仅由C、H两种元素组成，碳化理论质量产率超过90wt.％，体积产率超过50vol.％，50vol.％碳纤维编织体浸渍
‑
裂解6次理论上致密度将超过99vol.％。
[0017]本专利技术所选用的聚芳基乙炔树脂是一种可石墨化树脂材料，高温热处理后其石墨化度超过80％，为优异的抗氧化烧蚀性能提供微观结构保障。本专利技术采用真空浸渍与冷等静压结合工艺则能实现聚芳基乙炔树脂溶液在C/C复合材料内部的高效填充，显著缩短了制备周期和成本。
[0018]本专利技术先通过真空浸渍及冷等静压工艺将低粘度聚芳基乙炔树脂填充碳纤维编织体孔隙，然后升温固化并裂解实现孔隙的快速填充，最后多次循环及石墨化工艺制备出高性能、短周期C/C复合材料。该方法获得的C/C复合材料制备周期短、致密度高、力学性能优异，在航空、航天及民用领域具有较大的适用范围。该方法使高密度C/C复合材料摆脱了对热等静压设备及气相沉积设备的依赖，仅依靠烘箱、冷等静压机及常规裂解、石墨化炉即可完成C/C复合材料的制备，可推广应用并实现大规模生产，推动低成本C/C复合材料产业化进程。
[0019]本专利技术制备得到的C/C复合材料密度高(≥1.90g/cm3)、致密度高(≥95vol.％)、力学性能(弯曲强度≥140MPa)与抗氧化烧蚀性能(线烧蚀率≤0.01mm/s)优异，制备周期短、设备依赖性低，可用于复杂形状大尺寸C/C复合材料的制备，提高了生产效率、降低了生产成本，具备工程化应用前景且应用范围广泛。
附图说明
[0020]图1为本专利技术实施例1中得到的C/C复合材料宏观照片；
[0021]图2为本专利技术实施例1中得到的C/C复合材料扫描电子显微镜图片；
[0022]图3为本专利技术实施例1中得到的C/C复合材料氧乙炔考核测试图；
[0023]图4为本专利技术实施例1中得到的C/C复合材料的RAMAN
‑
mapping(G峰强/D峰强)图像(黄色石墨化程度高)；
[0024]图5为本专利技术实施例2中得到的C/C复合材料宏观照片；
[0025]图6为本专利技术实施例2中得到的C/C复合材料扫描电子显微镜图片；
[0026]图7为本专利技术实施例2中得到的C/C复合材料弯曲强度应力应变曲线图。
具体实施方式
[0027]具体实施方式一：本实施方式基于聚芳基乙炔树脂快速制备高密度C/C复合材料的方法按照以下步骤实现：
[0028]一、按体积分数称取聚芳基乙炔(PAA)树脂和溶剂置于烧杯中，通过加热、搅拌混合均匀，得到低粘度树脂溶液；
[0029]二、将低粘度树脂溶液与碳纤维编织体置于真空烘箱中，控制真空烘箱中的真空度为80～100Pa进行真空浸渍，得到浸渍有PAA树脂的碳纤维编织体；
[0030]三、将浸渍有PAA树脂的碳纤维编织体置于橡胶包套中，采用冷等静压设备以100MPa～500MPa的压力进行等静压处理，使树脂充分浸入编织体孔隙内，得到等静压处理后的碳纤维编织体；
[0031]四、将等静压处理后的碳纤维编织体置于烘箱中并调节温度，使PAA树脂凝胶、固化处理，获得致密碳纤维增强PAA树脂复合材料；
[0032本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于聚芳基乙炔树脂快速制备高密度C/C复合材料的方法，其特征在于该制备高密度C/C复合材料的方法按照以下步骤实现：一、按体积分数称取聚芳基乙炔树脂和溶剂置于烧杯中，通过加热、搅拌混合均匀，得到低粘度树脂溶液；二、将低粘度树脂溶液与碳纤维编织体置于真空烘箱中，控制真空烘箱中的真空度为80～100Pa进行真空浸渍，得到浸渍有PAA树脂的碳纤维编织体；三、将浸渍有PAA树脂的碳纤维编织体置于橡胶包套中，采用冷等静压设备以100MPa～500MPa的压力进行等静压处理，使树脂充分浸入编织体孔隙内，得到等静压处理后的碳纤维编织体；四、将等静压处理后的碳纤维编织体置于烘箱中并调节温度，使PAA树脂凝胶、固化处理，获得致密碳纤维增强PAA树脂复合材料；五、将致密碳纤维增强PAA树脂复合材料置于裂解炉中以800℃～1500℃的温度裂解处理，得到碳/碳复合材料；六、将碳/碳复合材料置于石墨化炉中，以2000℃～2950℃的温度石墨化处理，得到石墨化后的C/C复合材料；七、将石墨化后的C/C复合材料浸渍到低粘度树脂溶液中，再经真空浸渍、等静压处理、固化处理、裂解处理、石墨化处理，得到C/C复合材料坯体；八、重复步骤七的过程多次，直至达到理想密度，得到高密度C/C复合材料；其中步骤一中聚芳基乙炔树脂的体积分数为80％～90％。2.根据权利要求1所述的基于聚芳基乙炔树脂快速制备高密度C/C复合材料的方法，其特征在于是步骤一中所述的溶剂为丙酮、丁酮、苯或者二甲苯。3.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡平，张幸红，程源，冯家鑫，张弛，荀连财，高强，王义铭，杜善义，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：