【技术实现步骤摘要】
本专利技术公开了一种化学气相渗透工艺改性碳纤维制备碳气凝胶复合材料及方法，属于碳气凝胶制备。
技术介绍
1、碳气凝胶一般是间苯二酚（r）-甲醛（f）有机气凝胶的热解衍生物，是一种具有许多独特物理性能的新型纳米多孔碳材料，具有高孔隙率、高表面积、低热导和低密度等特性，因此有望作为新一代耐高温隔热材料，应用于航天飞行器的热防护系统中，特别是承受超高温和高热流密度的飞行器。然而，在实际应用上纯碳气凝胶面临强度低、脆性大的问题，导致其可靠性差，无法胜任于新型航天飞行器强烈振动、急剧热冲击等苛刻的服役环境，难以直接作为隔热材料应用于航天领域。为了解决上述问题，现国内外普遍采用纤维增强的方法制备碳气凝胶复合材料。在众多种类的纤维增强体之中，碳纤维是一种高强度高模量纤维，耐高温居所有化纤之首，并且还具有密度小、抗摩擦、导热及耐腐蚀等特性。碳纤维采用腈纶和粘胶等纤维做原料，经预氧化、碳化而成，是制造航天航空等高技术器材的首选材料。发展至今，碳纤维增强碳气凝胶复合材料的制备过程可简述如下：首现将间苯二酚-甲醛反应溶液（rf溶胶）浸渍碳纤维增强体，然后经凝胶固化得到碳纤维增强的rf有机气凝胶前驱体；再经过干燥、碳化等步骤将rf有机气凝胶基体转化为碳气凝胶基体，最终获得碳纤维增强的碳气凝胶复合材料。
2、然而，碳纤维增强的碳气凝胶复合材料普遍存在基体网络结构粗化、纤维/基体界面结合差、层间开裂的问题，这严重影响了复合材料的强韧性。其原因为：1）纤维杂质残留，纤维表面杂质难以通过简单清洗去除，在敏感型单体凝胶体系中即使微量的残留物也可直接干
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种化学气相渗透工艺改性碳纤维制备碳气凝胶复合材料及方法，即采用化学气相渗透工艺改性的碳纤维作为碳气凝胶的新型增强体，以解决碳纤维对rf凝胶过程的不良诱导作用，提升材料的力学性能。
2、为实现上述目的，本专利技术提出一种化学气相渗透工艺改性碳纤维制备碳气凝胶复合材料的方法，所采用的技术方案及具体步骤如下：
3、（1）碳纤维表面预处理：将碳纤维毡体放入真空炉，在惰性气氛下热处理，得到初始碳纤维预制体；
4、（2）化学气相渗透改性碳纤维预制体：将步骤（1）所得碳纤维预制体放置在化学气相渗透装置中，将所需厚度的炭界面均匀沉积在碳纤维表面上，改善纤维表面化学状态，得到具有热解炭涂层的碳纤维预制体；
5、（3）清洗、烘干：将步骤（2）所得改性碳纤维预制体放入装有清洗溶剂的容器中清洗，然后烘干；
6、（4）配制前驱体液：将间苯二酚（r）、甲醛（f）、碳酸钠（c）和去离子水（w）混合均匀，得到rf前驱体反应溶液；
7、（5）浸渍：将步骤（4）所得的反应溶液引入装有步骤（3）获得的改性碳纤维预制体的模具或容器中，使纤维完全浸渍在自身体积2倍以上的前驱体反应溶液中，并盖住模具或容器开口端密闭模具或容器，真空浸渍，得碳纤维与rf共混物；
8、（6）凝胶-固化：将步骤（5）所得的共混物加热进行凝胶-固化，脱模或脱容器后去除预制体表面的纯湿气凝胶部分，得到碳纤维增强rf湿凝胶；
9、（7）常压干燥：将步骤（6）所得碳纤维增强rf湿凝胶常压干燥，以得到碳纤维增强的rf干凝胶；
10、（8）炭化：将步骤（7）所得碳纤维增强的rf干凝胶在惰性气氛条件下炭化裂解，得到碳纤维增强碳气凝胶复合材料。
11、上述步骤（1）中，所述的碳纤维是聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维或粘胶基碳纤维中的一种或二种以上；碳纤维毡体密度为0.1-0.3 g/cm3（优选0.1-0.2 g/cm3），碳纤维毡体尺寸(长×宽×高)100×100×20 mm -150×150×40 mm；惰性气氛为氮气和者氩气中的一种或二种；热处理温度800-1200℃（优选1000-1200℃），保温1-5 h（优选2-3 h），去除碳纤维毡体上的部分杂质和吸附水。
12、上述步骤（2）中，所述的化学气相渗透改性碳纤维预制体，其气相前驱体为甲烷，温度为800-1200 ℃（优选1000-1200 ℃），时间为1-10 h（优选5-10 h），流量0.1-0.3 m3/h（优选0.15-0.3 m3/h），常压下将甲烷扩散到碳纤维预制件中，随后裂解成氢和单质碳，后者（碳）沉积在纤维表面，改善纤维表面化学状态，得到具有热解炭涂层的碳纤维预制体，所得碳纤维预制体密度 0.11-0.4 g/cm3（优选0.11-0.35 g/cm3）。
13、上述步骤（3）中，清洗溶液为无水乙醇，清洗1-6次；烘干温度30-100℃，烘干时间为1-12 h。
14、上述步骤（4）中，所述间苯二酚、甲醛、碳酸钠以及去离子水的摩尔比为r:f:c:w=1:(1.5-3):(0.0005-0.002):(10-25)，（优选r:f:c:w=1: (1.5-2):(0.0005-0.002):(15-25)）。
15、上述步骤（5）中，浸渍真空度为0.03-0.1 mpa（优选0.05-0.1 mpa），保压时间为6-24 h（优选12-24 h）。
16、上述步骤（6）中，将步骤（5）所得的共混物放入水浴加热进行凝胶-固化，所述凝胶-固化条件为将共混物在20-50℃（优选30-50℃）静置 24-72 h完成凝胶，然后在50-100℃（优选60-100℃）静置 24-72 h完成固化。
17、上述步骤（7）中，所述常压干燥温度为20-100℃（优选60-100℃），干燥时间为24-96 h（优选48-96 h）。
18、上述步骤（8）中，炭化惰性气氛为氮气或氩气中的一种或二种，炭化过程为以2-10℃/min（优选2-5 ℃/min）速度升温至炭化终温50本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种化学气相渗透工艺改性碳纤维制备碳气凝胶复合材料的方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的碳纤维是聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维或粘胶基碳纤维中的一种或二种以上；碳纤维毡体密度为0.1-0.3 g/cm3，碳纤维毡体尺寸长×宽×高为100×100×20 mm -150×150×40 mm；惰性气氛为氮气和氩气中的一种或二种；热处理温度800-1200℃，保温1-5 h，去除碳纤维毡体上的部分杂质和吸附水。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）中的清洗溶液为无水乙醇，清洗1-6次；烘干温度30-100℃，烘干时间为1-12 h。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（4）中所述间苯二酚、甲醛、碳酸钠以及去离子水的摩尔比为R:F:C:W=1:(1.5-3):(0.0005-0.002):(10-25)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（5）中浸渍的真空度为0.03-0.1 MPa，保压时间为6-24 h。
6. 根
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（7）中所述常压干燥温度为20-100℃，干燥时间为24-96 h。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（8）中的炭化惰性气氛为氮气或氩气中的一种或二种，炭化过程为以2-10 ℃/min速度升温至炭化终温500-1200℃，然后在500-1200℃保温1-8 h。
9.一种权利要求1-8任一所述的方法获得的碳气凝胶复合材料。
...【技术特征摘要】
1.一种化学气相渗透工艺改性碳纤维制备碳气凝胶复合材料的方法，其特征在于：该方法具体包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的碳纤维是聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维或粘胶基碳纤维中的一种或二种以上；碳纤维毡体密度为0.1-0.3 g/cm3，碳纤维毡体尺寸长×宽×高为100×100×20 mm -150×150×40 mm；惰性气氛为氮气和氩气中的一种或二种；热处理温度800-1200℃，保温1-5 h，去除碳纤维毡体上的部分杂质和吸附水。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）中的清洗溶液为无水乙醇，清洗1-6次；烘干温度30-100℃，烘干时间为1-12 h。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（4）中所述间苯二酚、甲醛、碳酸钠以及去离子水的摩尔比为r:f:c:w=1:(1.5-3):(0.0005-0.002...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙博慧，汤素芳，李建，庞生洋，胡成龙，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：
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