CN109722883A - 双元基体碳纤维预备体的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种QTCC双元基体碳纤维预制体的制备方法，本发明属于碳纤维预制体生产技术领域，本发明根据碳纤维的导热性和密度的关联性及碳纤维在直径方向上和纤维轴向的导热承差异等特性。以QTCC原理使用双元基体，碳纤维预制体，编制方法编制低密度，耐高温，隔热效果优良的预制体。

Description

双元基体碳纤维预备体的制备方法

技术领域

本发明属于碳纤维预制体生产技术领域，具体涉及一种量子临界态QTCC双元基体碳纤维预制体的制备方法。

背景技术

C/C-Sic复合材料作为新一代高性能摩擦材料，在高速列车、飞机、汽车、工程机械制动***等领域具有良好的应用市场。传统（LSI）方法制备的C/C-SiC复合材料温度较高，液态Si易与纤维反应，对碳纤维损伤较大，材料内部残留Si含量较高，使用温度超过Si熔点时可使材料损失机械强度，摩擦温度性能较差，在高温应用领域受到限制。目前市场高温设备隔热材料采用含杂软毡缠绕而成，使用寿命短、效益差。毛毡是由多层平铺而成的网胎单元，采用平面垂直方式针制而成的结构。其制备而成的产品结构形状单一，留有的针孔在产品使用时容易渗入其他腐蚀性物质，损伤产品质量。而现有的可应用于高温环境的碳纤维预制体，如使用化学气相沉积方法制备的热解碳面制备时间长，制备温度高与聚合物基体结合度较弱，从而导致材料强度下降等缺点。

QTCC（量子临界态）：可知材料的强度随晶粒尺寸的减小而提高。利用国际先进的固体核磁共振技术（75As）把控C/C碳基化合物的无向列性的磁“量子临界态”中，无向列性的磁量子临界态特质中，无向列性的自旋涨落是高温超导性的主要驱动关键因素特征，通过三维CAD建模及Magics软件二位数据调节高温高压使材料内核的热液活性及微小波动幅度呈现新型磁序，而达到“量子临界态”最佳峰指，“致精微、尽广大”优化设计新一代高品质功能材料。

发明内容

本发明根据碳纤维的导热性和密度的关联性及碳纤维在直径方向上和纤维轴向的导热承差异等特性。以QTCC原理使用双元基体，碳纤维预制体，制备方法制备低密度，耐高温，隔热效果优良的预制体。

所述QTCC双元基体碳纤维预制体的制备方法，具体包括如下步骤：碳纤维预制体的编织与高温处理：

一种QTCC双元基体碳纤维预制体的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：

(1)、以碳含量≥90%的碳纤维为原料，将纤维短切成56-60mm，用梳理机梳理成毛丝并制成网胎单元层，碳纤维排布方向与网胎单元层所有平面基本一致；

(2)、采用间隔交体的无纬布/网胎为结构单元连续辅层，将20-40层的网胎单元层通过针刺连接在一体，制成网胎；

(3)、无纬布与网胎比为（70-90）：（30-15），层间密度为12~20层/cm，针刺密度为30~50针/cm², 通过连续针刺方式制得碳纤维整体毡；

(4)、以密度为0.40~0.55g/cm³的针刺整体毡作为碳纤维预制体，在氩气惰性保护条件下对其进行1800~2000℃高温热处理；

(5)、热解碳保护层制备：以天然气为碳源，采用化学气相沉积法在上述碳纤维预制体的碳纤维表面制备，热解碳保护层，得到体积密度为0.55~0.70g/cm³的多孔碳/碳坯体，得到成品；化学气相沉积的条件为：沉积温度为1000~1100℃，沉积压力为1.2~1.8kpa，沉积时间为30~50小时。

优选的，步骤1中的网胎单元层克重为20-400g/m²，厚度为0.2-200mm，密度为0.08-0.2g/cm³。

优选的，步骤3中无纬布辅层方式为（0°/ 45°/ 90°/ -45°）。

本发明的有益效果为：

根据碳纤维的导热性和密度的关联性，以及碳纤维在直径方向上和纤维轴向的导热承差异特性，采用的碳纤维整体针刺毡；无纬布辅层方式为（0°/ 45°/ 90°/ -45°），改善了预制体孔隙结构分布更加均匀。预制体密度在0.1g/cm³至0.18g/cm³，提高材料摩擦稳定性，同时增强了材料的层间剪切性能。

使用弧形剥网针装置针刺，使用胎单元形成一个整体的坯体，同时在针刺过程中依顺时针和轴向同步点动移动，保证针刺纤维不重复针刺，避免大针孔影响产品寿命。

市场应用广泛，使用多种真空高温烧结设备，保温隔热效果优良，制备方法简单，成本低、效益好。

具体实施方式

实施例1

QTCC双元基体，碳纤维预制体的制备方法，具体包括如下步骤：

（1）、以碳含量≥90%的碳纤维为原料，将碳纤维短切成60mm，用梳理机梳理成毛丝并制成网胎单元层，网胎单元层克重80g/m²，厚度为1mm，碳纤维排布方向与网胎单元层所在平面基本一致。

（2）、采用间隔交替的无纬布/网胎为结构单元连续辅层，无纬布辅层方式为（0°/45°/ 90°/ -45°），采用10层网胎单元层并通过针刺连接在一体，复合成一个网胎。

（3）、无纬布与网胎比为7:3，层间密度为10层/cm，通过连续针刺方式制得碳纤维整体毡，针刺密度为30针/cm²，制得体积密度为0.42g/cm³碳纤维预制体，氩气保护条件下对碳纤维针刺整体毡进行1800℃热处理2小时。

（4）、采用化学气相沉积法在碳纤维表面制备热解碳涂层，沉积温度为1010℃，沉积压力为1.2kpa，沉积时间为30小时，制得体积密度为0.55g/cm³的多孔碳/碳坯体。

实施例2

QTCC双元基体，碳纤维预制体的制备方法，具体包括如下步骤：

（1）、以碳含量≥87%的碳纤维为原料，将碳纤维短切成58mm，用梳理机梳理成毛丝并制成网胎单元层，网胎单元层克重78g/m²，厚度为1mm，碳纤维排布方向与网胎单元层所在平面基本一致。

（2）、采用间隔交替的无纬布/网胎为结构单元连续辅层，无纬布辅层方式为（0°/45°/ 90°/ -45°），采用10层网胎单元层并通过针刺连接在一体，复合成一个网胎。

（3）、无纬布与网胎比为7:3，层间密度为10层/cm，通过连续针刺方式制得碳纤维整体毡，针刺密度为30针/cm²，制得体积密度为0.42g/cm³碳纤维预制体，氩气保护条件下对碳纤维针刺整体毡进行1750℃热处理2.5小时。

（4）、采用化学气相沉积法在碳纤维表面制备热解碳涂层，沉积温度为1000℃，沉积压力为1.4kpa，沉积时间为28小时，制得体积密度为0.55g/cm³的多孔碳/碳坯体。

实施例3

QTCC双元基体，碳纤维预制体的制备方法，具体包括如下步骤：

（1）、以碳含量≥90%的碳纤维为原料，将碳纤维短切成56mm，用梳理机梳理成毛丝并制成网胎单元层，网胎单元层克重72g/m²，厚度为1mm，碳纤维排布方向与网胎单元层所在平面基本一致。

（2）、采用间隔交替的无纬布/网胎为结构单元连续辅层，无纬布辅层方式为（0°/45°/ 90°/ -45°），采用10层网胎单元层并通过针刺连接在一体，复合成一个网胎。

（3）、无纬布与网胎比为7:3，层间密度为10层/cm，通过连续针刺方式制得碳纤维整体毡，针刺密度为30针/cm²，制得体积密度为0.42g/cm³碳纤维预制体，氩气保护条件下对碳纤维针刺整体毡进行1700℃热处理3小时。

（4）、采用化学气相沉积法在碳纤维表面制备热解碳涂层，沉积温度为1050℃，沉积压力为1.5kpa，沉积时间为32小时，制得体积密度为0.55g/cm³的多孔碳/碳坯体。

对比例：现有毛毡均是多层平铺而成的网胎单元采用平面垂直方式针刺而成的结构。其制备而成的产品结构形状单一，同时针刺时留有大针孔，针孔在产品使用时容易渗入其他腐蚀性物质，腐蚀损坏产品，如果采用上述方式制备表面弧度的产品，则容易产生密度均匀度差，各角度的压力控制能力差的技术问题，最终导致产品保温性能差。

本申请实施例1—实施例3中的碳纤维预制体产品是采用弧形剥网针刺装置通过多角度的针刺方式制备而成的结构。

以上实施例仅限于对本发明的技术方案所能达到的技术效果做进一步的阐述和说明，并不是对本发明的技术方案的进一步的限定，本领域技术人员在此基础上做出的非突出的实质性特征和非显著的进步，均属于本发明的保护范畴。

Claims (3)

1.一种QTCC双元基体碳纤维预制体的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：

(1)、以碳含量≥90%的碳纤维为原料，将纤维短切成56-60mm，用梳理机梳理成毛丝并制成网胎单元层，碳纤维排布方向与网胎单元层所有平面基本一致；

(2)、采用间隔交体的无纬布/网胎为结构单元连续辅层，将20-40层的网胎单元层通过针刺连接在一体，制成网胎；

(3)、无纬布与网胎比为（70-90）：（30-15），层间密度为12~20层/cm，针刺密度为30~50针/cm², 通过连续针刺方式制得碳纤维整体毡；

(4)、以密度为0.40~0.55g/cm³的针刺整体毡作为碳纤维预制体，在氩气惰性保护条件下对其进行1800~2000℃高温热处理；

(5)、热解碳保护层制备：以天然气为碳源，采用化学气相沉积法在上述碳纤维预制体的碳纤维表面制备，热解碳保护层，得到体积密度为0.55~0.70g/cm³的多孔碳/碳坯体，得到成品；化学气相沉积的条件为：沉积温度为1000~1100℃，沉积压力为1.2~1.8kpa，沉积时间为30~50小时。

2.如权利要求1所述的QTCC双元基体碳纤维预制体的制备方法，其特征在于，步骤1中的网胎单元层克重为20-400g/m²，厚度为0.2-200mm，密度为0.08-0.2g/cm³。

3.如权利要求1所述的QTCC双元基体碳纤维预制体的制备方法，其特征在于，步骤3中无纬布辅层方式为（0°/ 45°/ 90°/ -45°）。