CN113248275A - 一种表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料及其制备方法。本发明利用紫外光引发乙烯基交联反应，然后通过光引发乙烯基交联反应过程中放出的热量引发苯酚糠醛缩聚反应形成苯酚糠醛交联网络，多重网络固化产物经过高温碳化和石墨化快速制备得到轻质碳纤维/碳圆筒热场材料胚体，得到的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料胚体在通过加工、表面喷涂石墨涂层和高温+化学气体纯化制备出密度低、力学性能优越、保温性能好、纯度高的表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料。得到的表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料性能可以达到如下指标：弯曲强度为3.5MPa，密度可以控制在0.15g/cm3，杂质含量为5ppm，导热系数为0.15W/(mK)。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维/碳复合圆筒热场材料技术领域，具体涉及一种表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料及其制备方法。
背景技术
轻质碳纤维/碳圆筒热场材料因具有整体密度低、热场保温性能好、金属杂质含量低即纯度高等优点，而被广泛应用于单晶硅直拉炉热场、硅半导体长晶炉热场、碳化硅半导体长晶炉热场、光纤拉伸炉热场、以及蓝宝石长晶炉热场等高温热场中。
但是现有的碳纤维/碳圆筒热场材料的制备过程中,其主要的制备过程包括：碳纤维软毡裁减-浸渍酚醛树脂-缠绕并固化-高温碳化和石墨化过程-加工。其制备过程存在以下几个问题：(1)浸渍过程中，碳纤维软毡在浸渍酚醛树脂过程中需加入酒精等溶剂来降低树脂的黏度，使碳纤维与酚醛树脂充分浸渍，从而改善浸渍均匀性，然后通过烘干的方式进行处理，溶剂的加入会造成环境污染；(2)缠绕固化过程中，浸渍好酚醛树脂的碳纤维毡中的酚醛树脂由于重力作用，在固化过程中容易发生流胶现象，造成树脂浸渍不均匀，另外整个固化过程需耗时10个小时以上，生产效率低，同时压机加热需要消耗大量的能耗；(4)高温碳化和石墨化过程中，碳纤维毡的弧形结构使得碳纤维毡存在应力集中，容易发生变形问题；(5)加工后的碳纤维/碳圆筒热场材料表面存在大量的孔隙，使得材料的保温性能差。
溶剂挥发污染环境、固化流胶、浸渍不均匀、固化能耗高、效率低、应力变形、保温性差等问题亟待新材料和新方法来解决。
发明内容
本发明的目的是克服现有材料和制备方法的不足之处，提供一种密度小、保温性能好、纯度高、强度高且制备工艺简单快速的表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料。
本发明的另一目的在于提出一种具有新型树脂结构和快速固化成型的制备表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的方法。
本发明利用紫外光引发乙烯基交联反应，然后通过光引发乙烯基交联反应过程中放出的热量引发苯酚糠醛缩聚反应形成苯酚糠醛交联网络，多重网络固化产物经过高温碳化和石墨化快速制备得到轻质碳纤维/碳圆筒热场材料胚体，得到的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料胚体在通过加工、表面喷涂石墨涂层和高温+化学气体纯化制备出密度低、力学性能优越、保温性能好、纯度高的表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料。
本发明采用的技术方案如下所述：
一种表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料，制备轻质碳纤维/碳圆筒热场材料胚体材料的原材料组成及其质量份数包括：
碳纤维软毡：100份
苯酚：10-30份
糠醛：8-24份
氨水：0.4-1.2份
乙烯基助交联剂：1-3份
光引发剂：0.1-0.3份
其中，所述的碳纤维软毡为硅烷偶联剂处理过的碳纤维软毡，碳纤维软毡是由长碳纤维经过气流成网-针刺成毡工艺制备得到，活性碳纤维软毡的Z向纤维与X-Y面内纤维之比为1：(50-150)，密度为500-700克/厘米2，厚度为10±1毫米；所述长碳纤维的长度为10-15厘米。
所述糠醛与苯酚在交联热以及氨水的催化作用下进行缩合反应，形成糠醛苯酚树脂交联网络。
所述氨水的质量浓度为10-100％。
所述氨水在双键交联热的作用下引发苯酚与糠醛进行缩聚反应，起到引发剂的作用。
所述乙烯基助交联剂包括但不限于含乙烯键的单乙烯低分子化合物、二乙烯基交联剂、多乙烯基交联剂；
其中，所述单乙烯低分子化合物包括但不限于苯乙烯、丙烯酸酯；二乙烯基交联剂包括但不限于三丙二醇二丙烯醚酯；多乙烯基交联剂包括但不限于三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、三烯丙基异三聚氰酸酯；
当所述乙烯基助交联剂为丙烯酸类化合物时，其可起到促进交联的作用，可在紫外光引发的引发剂分解或者处于激发态的能量作用下和糠醛上的双键进行共交联反应，形成光引发乙烯基交联网络。光引发乙烯基交联网络再进一步与苯酚糠醛树脂缩合交联网络形成交叉网络，从而拉近整个大交联网络中的苯环结构之间的距离，有利于在高温碳化和石墨化过程中形成高残碳，提高碳纤维/碳材料的强度。
所述光引剂为自由基光引发剂或阳离子光引发剂。其中，所述自由基光引发剂包括但不限于安息香丁醚、安息香、安息香双甲醚、安息香***、安息香异丙醚、α，α-二甲氧基-α-苯基苯乙酮、二苯基乙酮、α-羟烷基苯酮、α-胺烷基苯酮、α，α-二乙氧基苯乙酮、双苯甲酰基苯基氧化膦、芳酰基膦氧化物、2,4-二羟基二苯甲酮、二苯甲酮、硫代丙氧基硫杂蒽酮、异丙基硫杂蒽酮；所述阳离子光引发剂包括但不限于二芳基碘鎓盐、三芳基碘鎓盐、烷基碘鎓盐、异丙苯茂铁六氟磷酸盐。
其中，光引发剂在紫外光照射下，分解或者处于激发态，引发糠醛上的双键与乙烯基交联剂上的双键进行交联反应，放出热量，然后进一步引发苯酚与糠醛的缩合反应。
一种表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料，制备表面石墨涂层材料的原材料组成及其质量份数包括：
石墨片：100份
聚乙烯醇缩丁醛：10-30份
酚醛树脂水溶液：200-600份
所述的石墨片的尺寸为大小为30-80um，厚度约为10um。
所述的聚乙烯醇缩丁醛为化学纯，可以将石墨片粘附在轻质碳纤维/碳热场胚体材料的表面。
所述的酚醛树脂水溶液为水溶性酚醛树脂与水的混合物，其中固含量为40％-75％，起到高温残碳黏附石墨片的作用。
所述的表面石墨涂层材料涂覆到轻质碳纤维/碳热场胚体材料的表面后，常温下放置0.5-3h后，即可放入纯化炉进行高温纯化处理。
本发明的另一目的在于提供一种生产效率高、能耗低、污染小、纯度高、隔热性能好即高效低能耗制备表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的方法。
一种表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)喷胶浸渍和固化成形：(a)树脂浸渍：将碳纤维软毡缠绕在圆柱状金属模具上，然后将苯酚、乙烯基助交联剂、糠醛、氨水和光引发剂的树脂体系直接喷涂浸渍碳纤维软毡；(b)紫外光引发双键反应：通过紫外光激发光引发剂，使得引发剂处于自由基状态或者激发态，然后引发糠醛树脂与乙烯基助交联剂进行乙烯基交联反应，形成乙烯基交联网络，同时放出大量反应热；(c)苯酚糠醛缩合反应：乙烯基交联反应反应热促使氨水引发糠醛和苯酚化合物的苯酚糠醛缩聚交联反应，形成酚醛交联网络，乙烯基交联网络与酚醛交联网络相互交叉，形成双交联固化产物。
(2)碳化和石墨化：碳纤维毡固化产物脱除金属模具，装上碳/碳模具，外表面绑缚碳纤维绳，放入高温炉中直接进行碳化和石墨化反应，快速制备得到轻质碳纤维/碳圆筒复合热场胚体材料。
(3)石墨化涂层：轻质碳纤维/碳圆筒复合热场胚体材料加工到所要求的尺寸，然后使用喷枪喷涂表面石墨涂层体系材料。
(4)纯化：把涂有石墨化涂层的碳纤维/碳圆筒热场材料放入纯化炉中进行纯化处理，出炉即可获得表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料。
步骤(1)中，对碳纤维软毡直接进行喷涂液相浸渍，使得树脂和碳纤维软毡充分接触，利用低黏度聚合物前驱体进行浸渍碳纤维，浸渍效率高。
本发明无需添加稀释溶剂，制备过程更加环保，无污染。
整个制备过程无需加入金属催化剂(自由基光引发剂)，最终产物碳化后纯度高。
步骤(1)中紫外光光引发乙烯基交联过程中，紫外枪的功率为50-300W，距离在5-10cm，引发时间为1min-30min。
本发明可以在五分钟之内使得乙烯基基团快速交联形成乙烯基交联网络，提高了效率，不需要进行高温固化，不易发生流胶现象，降低了能耗，是本发明的创新点之一。
且本发明使用具有特殊结构的乙烯基交联助剂+糠醛+苯酚连锁引发交联反应，大大提高了反应效率。
利用光引发反应热引发苯酚糠醛缩合反应是本发明的另外一个发明点。
在酚醛缩合反应中使用模具将材料固定。
上述步骤(2)中，本发明使用了自制的碳/碳模具和碳纤维绳的固定相结合的方式对轻质碳纤维/碳复合热场固化材料进行固定，防止在高温碳化和石墨化过程中的变形。使用中空型碳/碳模具可以充分利用加工过程中剩余的边角料，降低成本的同时，也可以保证产品的质量。本发明使用车轮形的中空支撑模具也是本发明的一个创新点。
上述步骤(2)中，碳化过程中的温度为400℃-600℃。碳化过程中抽真空。
上述步骤(2)中，石墨化过程的温度为2000-2800℃。升温速率为50-200℃/h。
上述步骤(3)中，使用喷涂的方式喷涂石墨胶体系，且不需要进行高温固化步骤，提高了加工效率。
上述步骤(4)中，使用高温和化学气体(氟化物)相结合的方式对表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料进行了纯化，纯化效果好。
纯化化学气体与表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的比例为(0.1-3)：100。高温和化学气体(氟化物)相结合进行纯化的方法也是本发明的一个创新点。
本发明的表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料(详见附图3表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料)具有以下优势：
(1)密度低，强度高
本发明通过糠醛苯酚树脂的双网络交联作用，使得苯酚糠醛树脂交联密度高，树脂与碳纤维结合紧密，分子间距离小，最终经过碳化和石墨化后的材料具有较低的密度和较高的力学性能，材料强度高，有利于操作和使用。材料密度可以控制在0.14-0.20g/cm3，弯曲强度可以达到3.5MPa。
(2)纯度高
本发明通过选取新型树脂体系，结合聚合物前驱体的方法以及光引发交联的方法，苯酚糠醛在固化过程中无需加入金属催化剂，所得到的材料碳化和石墨化后具有较高的纯度，同时石墨涂层中的杂质含量也低，最终杂质含量可以控制在10ppm以下。
(3)环保
制备过程中使用小分子化合物体系，容易浸渍，解决了常规树脂黏度高不易浸渍的问题，同时反应过程中也没有溶剂污染，石墨涂层也是用环保型的水性树脂体系，非常环保。
(4)高效、低能耗
制备过程中使用喷涂的方式浸渍树脂体系，使用光引发交联乙烯的热量引发苯酚糠醛缩合反应，不需要加热固化，低能耗，另外光引发交联引发速率快，5分钟即可引发乙烯基交联。同时在石墨化涂层的制备过程中，使用喷涂的方式喷涂石墨胶体系，且不需要进行高温固化步骤，提高了加工效率，降低了能耗。
(5)隔热性能好
本发明所使用的碳纤维毡具有X-Y-Z三维结构，本身就具有较高的保温性能，再加上表面石墨涂层可以通过反射屏蔽的作用在高温工作环境中阻隔热辐射，进一步提高了隔热效果，具有较低的导热系数0.15W/(mK)(1000℃))。
本发明所得到的表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料可直接用在真空及惰性气体保护的高温炉内，能在1000—2500℃的温度下稳定使用，尤其是单晶硅直拉炉热场、硅半导体长晶炉热场、碳化硅半导体长晶炉热场、光纤拉伸炉热场、以及蓝宝石长晶炉热场等高温热场中必不可少的热场圆筒材料。
附图说明
图1为本发明所述树脂体系反应过程示例；
图2为本发明表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的制备过程图示例；
图3为本发明所制备得到的表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料示例。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明做进一步的详细描述。但本发明不仅限于下列实施例。
实施例1
表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的制备方法包括以下步骤：
(1)喷胶浸渍和固化成形：(a)树脂浸渍：将碳纤维软毡(100份)缠绕在圆柱状金属模具上，然后使用喷枪将苯酚(10份)、苯乙烯(1份)、糠醛(8份)、氨水(0.4份)和安息香(0.1份)的树脂体系直接喷涂浸渍碳纤维软毡；(b)紫外光引发双键反应：通过紫外光(100W，5min)激发光引发剂，使得引发剂处于自由基状态或者激发态，然后引发糠醛树脂与乙烯基助交联剂进行乙烯基交联反应，形成乙烯基交联网络，同时放出大量反应热；(c)苯酚糠醛缩合反应：乙烯基交联反应反应热促使氨水引发糠醛和苯酚化合物的苯酚糠醛缩聚交联反应，形成酚醛交联网络，乙烯基交联网络与酚醛交联网络相互交叉，形成双交联固化产物。
(2)碳化和石墨化：碳纤维毡固化产物脱除金属模具，装上碳/碳模具，模具支撑为3块，支撑桶的面积约为总面积的1/3；外表面绑缚碳纤维绳，碳纤维绳间距离为5cm，放入高温炉中直接进行碳化和石墨化反应，快速制备得到轻质碳纤维/碳圆筒复合热场胚体材料。升温速率为100℃/h，碳化过温度为600℃，碳化时间为2h；石墨化温度为2000℃，石墨化时间为2h。
(3)石墨化涂层：轻质碳纤维/碳圆筒复合热场胚体材料加工到所要求的尺寸，然后使用喷枪喷涂表面石墨涂层体系材料，其中石墨片的份数为100份，聚乙烯醇缩丁醛的份数为10份，酚醛树脂水溶液的份数为200份。涂层材料的厚度为200um。
(4)纯化：把涂有石墨化涂层的碳纤维/碳圆筒热场材料放入纯化炉中进行纯化处理，出炉即可获得表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料。其中纯化气体为氟化物，氟化物与表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的质量比为1：100，处理温度为2400℃，处理时间为2h。
最终表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的的弯曲强度为3.5MPa，密度可以控制在0.15g/cm3，杂质含量为5ppm，导热系数为0.15W/(mK)。
实施例2
表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的制备方法包括以下步骤：
(1)喷胶浸渍和固化成形：(a)树脂浸渍：将碳纤维软毡(100份)缠绕在圆柱状金属模具上，然后使用喷枪将苯酚(20份)、三丙二醇二丙烯醚酯(2份)、糠醛(16份)、氨水(0.8份)和二苯基乙酮(0.2份)的树脂体系直接喷涂浸渍碳纤维软毡；(b)紫外光引发双键反应：通过紫外光(100W，10min)激发光引发剂，使得引发剂处于自由基状态或者激发态，然后引发糠醛树脂与乙烯基助交联剂进行乙烯基交联反应，形成乙烯基交联网络，同时放出大量反应热；(c)苯酚糠醛缩合反应：乙烯基交联反应反应热促使氨水引发糠醛和苯酚化合物的苯酚糠醛缩聚交联反应，形成酚醛交联网络，乙烯基交联网络与酚醛交联网络相互交叉，形成双交联固化产物。
(2)碳化和石墨化：碳纤维毡固化产物脱除金属模具，装上碳/碳模具，模具支撑为3块，支撑桶的面积约为总面积的1/3；外表面绑缚碳纤维绳，碳纤维绳间距离为5cm，放入高温炉中直接进行碳化和石墨化反应，快速制备得到轻质碳纤维/碳圆筒复合热场胚体材料。升温速率为100℃/h，碳化过温度为600℃，碳化时间为2h；石墨化温度为2000℃，石墨化时间为2h。
(3)石墨化涂层：轻质碳纤维/碳圆筒复合热场胚体材料加工到所要求的尺寸，然后使用喷枪喷涂表面石墨涂层体系材料，其中石墨片的份数为100份，聚乙烯醇缩丁醛的份数为15份，酚醛树脂水溶液的份数为300份。涂层材料的厚度为200um。
(4)纯化：把涂有石墨化涂层的碳纤维/碳圆筒热场材料放入纯化炉中进行纯化处理，出炉即可获得表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料。其中纯化气体为氟化物，氟化物与表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的质量比为0.8：100，处理温度为2400℃，处理时间为2h。
最终表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的的弯曲强度为4.1MPa，密度可以控制在0.17g/cm3，杂质含量为7ppm，导热系数为0.17W/(mK)。
实施例3
表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的制备方法包括以下步骤：
(1)喷胶浸渍和固化成形：(a)树脂浸渍：将碳纤维软毡(100份)缠绕在圆柱状金属模具上，然后使用喷枪将苯酚(30份)、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯三丙二醇二丙烯醚酯(3份)、糠醛(24份)、氨水(1.2份)和α-胺烷基苯酮(0.3份)的树脂体系直接喷涂浸渍碳纤维软毡；(b)紫外光引发双键反应：通过紫外光(100W，10min)激发光引发剂，使得引发剂处于自由基状态或者激发态，然后引发糠醛树脂与乙烯基助交联剂进行乙烯基交联反应，形成乙烯基交联网络，同时放出大量反应热；(c)苯酚糠醛缩合反应：乙烯基交联反应反应热促使氨水引发糠醛和苯酚化合物的苯酚糠醛缩聚交联反应，形成酚醛交联网络，乙烯基交联网络与酚醛交联网络相互交叉，形成双交联固化产物。
(2)碳化和石墨化：碳纤维毡固化产物脱除金属模具，装上碳/碳模具，模具支撑为3块，支撑桶的面积约为总面积的1/3；外表面绑缚碳纤维绳，碳纤维绳间距离为5cm，放入高温炉中直接进行碳化和石墨化反应，快速制备得到轻质碳纤维/碳圆筒复合热场胚体材料。升温速率为100℃/h，碳化过温度为600℃，碳化时间为2h；石墨化温度为2000℃，石墨化时间为2h。
(3)石墨化涂层：轻质碳纤维/碳圆筒复合热场胚体材料加工到所要求的尺寸，然后使用喷枪喷涂表面石墨涂层体系材料，其中石墨片的份数为100份，聚乙烯醇缩丁醛的份数为30份，酚醛树脂水溶液的份数为400份。涂层材料的厚度为200um。
(4)纯化：把涂有石墨化涂层的碳纤维/碳圆筒热场材料放入纯化炉中进行纯化处理，出炉即可获得表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料。其中纯化气体为氟化物，氟化物与表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的质量比为0.7：100，处理温度为2400℃，处理时间为2h。
最终表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的的弯曲强度为4.5MPa，密度可以控制在0.19g/cm3，杂质含量为9ppm，导热系数为0.19W/(mK)。
对比例1
表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的制备方法包括以下步骤：
(1)喷胶浸渍和固化成形：(a)树脂浸渍：将碳纤维软毡(100份)缠绕在圆柱状金属模具上，然后使用喷枪将苯酚(10份)、糠醛(8份)、氢氧化钠(0.4份)的树脂体系直接喷涂浸渍碳纤维软毡；(b)加热引发苯酚糠醛缩合反应：通过加热促使氢氧化钠引发糠醛和苯酚化合物的苯酚糠醛缩聚交联反应，形成交联固化产物。
(2)碳化和石墨化：碳纤维毡固化产物脱除金属模具，装上圆柱形碳/碳模具；放入高温炉中直接进行碳化和石墨化反应，快速制备得到轻质碳纤维/碳圆筒复合热场胚体材料。升温速率为100℃/h，碳化过温度为600℃，碳化时间为2h；石墨化温度为2000℃，石墨化时间为2h。
(3)石墨化涂层：轻质碳纤维/碳圆筒复合热场胚体材料加工到所要求的尺寸，然后使用刷胶的方式表面刷涂石墨涂层体系材料，其中石墨片的份数为100份，酚醛树脂水溶液的份数为200份。涂层材料的厚度为200um。
(4)纯化：把涂有石墨化涂层的碳纤维/碳圆筒热场材料放入纯化炉中进行高温纯化处理，出炉即可获得表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料。处理温度为2800℃，处理时间为2h。
最终表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的的弯曲强度为3.7MPa，密度可以控制在0.155g/cm3，杂质含量为600ppm，导热系数为0.16W/(mK)。最终制备的产品的杂质含量严重超标，并且涂层容易脱落。上述工艺过程中使用热固化的方式进行固化增加了能耗；碳化和石墨化过程中使用圆柱形碳/碳模具，模具成本增加；碳化和石墨化过程中未使用碳纤维绳绑缚，材料容易膨胀变形；石墨化涂层未使用喷涂的方法，效率低，同时没有添加聚乙烯醇缩丁醛，容易发生脱落；纯化过程中使用的是高温纯化方法，耗能，且纯化效率低。
对比例2
表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的制备方法包括以下步骤：
(1)喷胶浸渍和固化成形：(a)树脂浸渍：将碳纤维软毡(100份)缠绕在圆柱状金属模具上，然后使用喷枪将苯酚(10份)、苯乙烯(1份)、糠醛(8份)、氢氧化钠(0.4份)的树脂体系直接喷涂浸渍碳纤维软毡；(b)紫外光引发双键反应：没有引发剂，不反应。
反应过程至此为止，液体树脂体系无法在紫外光引发条件下交联，树脂无法固化，无法制备出固体材料，样品制备失败。
Claims (10)
1.一种表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料，其特征在于，制备轻质碳纤维/碳圆筒热场材料胚体材料的原材料组成及其质量份数包括：
碳纤维软毡：100份
苯酚：10-30份
糠醛：8-24份
氨水：0.4-1.2份
乙烯基助交联剂：1-3份
光引发剂：0.1-0.3份。
2.根据权利要求1所述的表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料，其特征在于，所述碳纤维软毡为硅烷偶联剂处理过的碳纤维软毡，碳纤维软毡是由长碳纤维经过气流成网-针刺成毡工艺制备得到，活性碳纤维软毡的Z向纤维与X-Y面内纤维之比为1：(50-150)，密度为500-700克/厘米2，厚度为10±1毫米；所述长碳纤维的长度为10-15厘米。
3.根据权利要求1所述的表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料，其特征在于，所述乙烯基助交联剂为含乙烯键的单乙烯低分子化合物、二乙烯基交联剂或多乙烯基交联剂；其中，所述单乙烯低分子化合物为苯乙烯或丙烯酸酯；二乙烯基交联剂为三丙二醇二丙烯醚酯；多乙烯基交联剂为三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯或三烯丙基异三聚氰酸酯。
4.根据权利要求1所述的表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料，其特征在于，所述光引发剂为自由基光引发剂或阳离子光引发剂；其中，所述自由基光引发剂为安息香丁醚、安息香、安息香双甲醚、安息香***、安息香异丙醚、α,α-二甲氧基-α-苯基苯乙酮、二苯基乙酮、α-羟烷基苯酮、α-胺烷基苯酮、α,α-二乙氧基苯乙酮、双苯甲酰基苯基氧化膦、芳酰基膦氧化物、2,4-二羟基二苯甲酮、二苯甲酮、硫代丙氧基硫杂蒽酮或异丙基硫杂蒽酮；
所述阳离子光引发剂为二芳基碘鎓盐、三芳基碘鎓盐、烷基碘鎓盐或异丙苯茂铁六氟磷酸盐。
5.权利要求1-4任一项所述的表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料，其特征在于，制备表面石墨涂层材料的原材料组成及其质量份数包括：
石墨片：100份
聚乙烯醇缩丁醛：10-30份
酚醛树脂水溶液：200-600份。
6.根据权利要求6所述的表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料，其特征在于，所述的石墨片的尺寸为大小为30-80um，厚度为10um；所述聚乙烯醇缩丁醛为化学纯；所述酚醛树脂水溶液为水溶性酚醛树脂与水的混合物，其中固含量为40％-75％。
7.权利要求1-6任一项所述的表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)喷胶浸渍和固化成形：(a)树脂浸渍：将碳纤维软毡缠绕在圆柱状金属模具上，然后使用苯酚、乙烯基助交联剂、糠醛、氨水和光引发剂的树脂体系直接喷涂浸渍碳纤维软毡；(b)紫外光引发双键反应：通过紫外光激发光引发剂，引发糠醛树脂与乙烯基助交联剂进行乙烯基交联反应，形成乙烯基交联网络；(c)苯酚糠醛缩合反应：乙烯基交联反应反应热促使氨水引发糠醛和苯酚化合物的苯酚糠醛缩聚交联反应，形成酚醛交联网络，乙烯基交联网络与酚醛交联网络相互交叉，形成双交联固化产物；
(2)碳化和石墨化：碳纤维毡固化产物脱除金属模具，装上碳/碳模具，外表面绑缚碳纤维绳，直接进行碳化和石墨化反应，制备得到轻质碳纤维/碳圆筒复合热场胚体材料；
(3)石墨化涂层：轻质碳纤维/碳圆筒复合热场胚体材料加工到所需尺寸，然后在表面喷涂石墨涂层体系材料；
(4)纯化：将涂有石墨化涂层的碳纤维/碳圆筒热场材料进行纯化处理，得到表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料。
8.根据权利要求7所述的表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述氨水的质量浓度为10-100％，通过紫外光光引发乙烯基交联过程中，紫外枪的功率为50-300W，距离在5-10cm，引发时间为1min-30min。
9.根据权利要求7所述的表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的制备方法，其特征在于，上述步骤(2)中，碳化过程中的温度为400℃-600℃，碳化过程中抽真空；
石墨化过程的温度为2000-2800℃；升温速率为50-200℃/h；
所述碳/碳模具为车轮形的中空支撑模具。
10.根据权利要求7所述的表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，使用升温和加入气体氟化物相结合的方式对表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料进行纯化处理；
氟化物与表面涂覆石墨涂层的轻质碳纤维/碳圆筒热场材料的质量比为(0.1-3)：100。
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Denomination of invention: A lightweight carbon fiber/carbon cylinder thermal field material coated with graphite coating on the surface and its preparation method Granted publication date: 20220422 Pledgee: Zhejiang Juzhou Commercial Bank Co.,Ltd. Hangzhou Branch Pledgor: HANGZHOU VULCAN NEW MATERIAL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2024330000813 |