本發(fā)明屬于炭/炭復(fù)合材料領(lǐng)域領(lǐng)域，具體涉及一種凝膠注模法制備炭/炭復(fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
炭/炭復(fù)合材料是碳纖維增強(qiáng)炭基體的一類復(fù)合材料的統(tǒng)稱。根據(jù)增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的不同，可分為單向、二維、三維及多維炭/炭復(fù)合材料；根據(jù)炭基體制備工藝的不同，可分為樹脂炭基、瀝青炭基、熱解炭基及多基體炭/炭復(fù)合材料。由于炭/炭復(fù)合材料具有密度低、高溫力學(xué)性能好、比強(qiáng)度高、比模量大、耐摩擦磨損等優(yōu)異的性能，在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管和喉襯、載入飛行器的頭錐、航天飛機(jī)的機(jī)翼前緣及鼻錐、飛機(jī)剎車盤等部件及組件上有廣泛的應(yīng)用。
由于炭/炭復(fù)合材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、高溫力學(xué)性能，在酸性、堿性等腐蝕性環(huán)境中具有良好的尺寸、性能穩(wěn)定性，且具有良好的抗熱震性能，可以用來制造精細(xì)化工、煤化工、石油化工、鋼鐵冶煉領(lǐng)域中常用的耐腐蝕泵、高溫料漿泵的泵體和泵蓋。高溫耐腐蝕泵的泵體和泵蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大，且結(jié)構(gòu)完整性要求高，若采用二維、三維或者多維炭/炭復(fù)合材料，則制備周期長(zhǎng)、制備成本高、難以一次成型，需對(duì)泵體和泵蓋上的螺栓孔、定位孔、支座等部位進(jìn)行多次車削加工，而車削加工切斷了連續(xù)的碳纖維，造成材料的性能損傷、整體性能下降；另外，加工過程中若出現(xiàn)失誤，造成泵體和泵蓋的破壞，需要報(bào)廢整塊炭/炭復(fù)合材料材料，代價(jià)高昂。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的旨在提供一種凝膠注模法制備炭/炭復(fù)合材料的方法，從而克服現(xiàn)有技術(shù)中炭/炭復(fù)合材料的制備周期長(zhǎng)、成本高以及難以一次成型的缺陷。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
一種凝膠注模法制備炭/炭復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：
（1）將短切碳纖維、多糖類高分子和分散劑加入水中，研磨均勻，制成料漿；其中，短切碳纖維∶水的質(zhì)量比為25~100∶100，分散劑占水質(zhì)量的0.5~1.0wt%，多糖類高分子占短切碳纖維質(zhì)量的3.0~6.0wt%；
（2）將步驟（1）所得料漿在50~90℃真空除氣；
（3）將步驟（2）真空除氣后的料漿注入模具中，凝膠化成型；
（4）干燥處理、脫除模具，制得坯體；
（5）對(duì)步驟（4）中制得的坯體進(jìn)行化學(xué)氣相沉積致密化，制得炭/炭復(fù)合材料。
較好地，所述短切碳纖維的長(zhǎng)度為1~20mm。
較好地，所述多糖類高分子為瓊脂、瓊脂糖、明膠或果膠。
較好地，所述分散劑為聚丙烯酸、聚丙烯酸銨、聚丙烯酸鈉、羥乙基纖維素或羧甲基纖維素鈉。
較好地，步驟（4）中，所述干燥處理為：在120~150℃真空干燥60~90min，降至室溫。
較好地，步驟（5）具體為：將步驟（4）制得的坯體放置于等溫化學(xué)氣相沉積爐中，在氬氣氣氛下，升溫至950~1150℃，保溫90~120min，然后關(guān)閉氬氣，通入甲烷，沉積50~150h，關(guān)閉甲烷，在氬氣氣氛下降至室溫，制得炭/炭復(fù)合材料。
本發(fā)明提供了一種快速、近凈成型制備炭/炭復(fù)合材料的方法，以短切碳纖維為炭/炭復(fù)合材料的增強(qiáng)體，克服了現(xiàn)有技術(shù)中以一維、二維、三維和多維碳纖維作為預(yù)制體帶來的制備周期長(zhǎng)，成本高，并且難以一次成型的缺陷，并且由于是將短切碳纖維、水和多糖類高分子混合制成料漿，然后再將該料漿澆注模具中凝膠化成型，保證了短切碳纖維的各向同性取向。將凝膠成型后的材料將真空干燥、致密化處理即獲得近凈成型的炭/炭復(fù)合材料，省去了二次加工的麻煩，降低了生產(chǎn)成本。根據(jù)用途的不同，模具還可制造成不同的形狀。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。應(yīng)理解，以下實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而非用于限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1
一種凝膠注模法制備炭/炭復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：
（1）將0.5wt%（以所用去離子水的質(zhì)量為基準(zhǔn)，聚丙烯酸的質(zhì)量為去離子水質(zhì)量的0.5wt%）的聚丙烯酸加入去離子水中，制成分散劑溶液；
（2）將短切碳纖維分散到分散劑含量為0.5wt%的分散劑溶液中，球磨1h，使得短切炭纖維充分分散、混合均勻，制成料漿；其中，短切碳纖維的尺寸為1mm，以所需配制的料漿中去離子水的質(zhì)量為基準(zhǔn)，短切碳纖維與去離子水的質(zhì)量比為25∶100；
（3）將3.0wt%（以所用短切碳纖維粉的質(zhì)量為基準(zhǔn)，瓊脂的質(zhì)量為短切碳纖維質(zhì)量的3.0wt%）的瓊脂添入步驟（2）制成的料漿中，球磨1h，使得瓊脂與短切炭纖維混合均勻；
（4）將步驟（3）所得料漿放入真空干燥箱中，在50℃真空除氣；
（5）將步驟（4）中真空除氣后的料漿注入模具中，凝膠化成型；
（6）將步驟（5）所得凝膠，在120℃真空干燥保溫60min，再自然冷卻至30℃，脫除模具，制得坯體；
（7）將步驟（6）所得坯體放置于等溫化學(xué)氣相沉積爐中，在氬氣氣氛下，升溫至950℃，保溫90min，然后關(guān)閉氬氣，通入甲烷，沉積150h，關(guān)閉甲烷，在氬氣氣氛下降至室溫，制得炭/炭復(fù)合材料。
對(duì)制得的炭/炭復(fù)合材料進(jìn)行性能測(cè)試：材料的密度為1.68g/cm3，彎曲強(qiáng)度為69.3mpa，xy向壓縮強(qiáng)度80.2mpa，z向壓縮強(qiáng)度76.3mpa。
實(shí)施例2
一種凝膠注模法制備炭/炭復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：
（1）將0.5wt%（以所用去離子水的質(zhì)量為基準(zhǔn)，聚丙烯酸銨的質(zhì)量為去離子水質(zhì)量的0.5wt%）的聚丙烯酸銨加入去離子水中，制成分散劑溶液；
（2）將短切碳纖維分散到分散劑含量為0.5wt%的分散劑溶液中，球磨1h，使得短切炭纖維充分分散、混合均勻，制成料漿；其中，短切碳纖維的尺寸為5mm，以所需配制的料漿中去離子水的質(zhì)量為基準(zhǔn)，短切碳纖維與去離子水的質(zhì)量比為50∶100；
（3）將4.0wt%（以所用短切碳纖維粉的質(zhì)量為基準(zhǔn)，瓊脂糖的質(zhì)量為短切碳纖維質(zhì)量的4.0wt%）的瓊脂糖添入步驟（2）制成的料漿中，球磨1h，使得瓊脂糖與短切炭纖維混合均勻；
（4）將步驟（3）所得料漿放入真空干燥箱中，在60℃真空除氣；
（5）將步驟（4）中真空除氣后的料漿注入模具中，凝膠化成型；
（6）將步驟（5）所得凝膠，在130℃真空干燥保溫70min，再自然冷卻至30℃，脫除模具，制得坯體；
（7）將步驟（6）所得坯體放置于等溫化學(xué)氣相沉積爐中，在氬氣氣氛下，升溫至1000℃，保溫90min，然后關(guān)閉氬氣，通入甲烷，沉積150h，關(guān)閉甲烷，在氬氣氣氛下降至室溫，制得炭/炭復(fù)合材料。
對(duì)制得的炭/炭復(fù)合材料進(jìn)行性能測(cè)試：材料的密度為1.71g/cm3，彎曲強(qiáng)度為73.4mpa，xy向壓縮強(qiáng)度87.8mpa，z向壓縮強(qiáng)度79.8mpa。
實(shí)施例3
一種凝膠注模法制備炭/炭復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：
（1）將1.0wt%（以所用去離子水的質(zhì)量為基準(zhǔn)，聚丙烯酸鈉的質(zhì)量為去離子水質(zhì)量的1.0wt%）的聚丙烯酸鈉加入去離子水中，制成分散劑溶液；
（2）將短切碳纖維分散到分散劑含量為1.0wt%的分散劑溶液中，球磨1h，使得短切炭纖維充分分散、混合均勻，制成料漿；其中，短切碳纖維的尺寸為10mm，以所需配制的料漿中去離子水的質(zhì)量為基準(zhǔn)，短切碳纖維與去離子水的質(zhì)量比為75∶100；
（3）將5.0wt%（以所用短切碳纖維粉的質(zhì)量為基準(zhǔn)，明膠的質(zhì)量為短切碳纖維質(zhì)量的5.0wt%）的明膠添入步驟（2）制成的料漿中，球磨1h，使得明膠與短切炭纖維混合均勻；
（4）將步驟（3）所得料漿放入真空干燥箱中，在80℃真空除氣；
（5）將步驟（4）中真空除氣后的料漿注入模具中，凝膠化成型；
（6）將步驟（5）所得凝膠，在140℃真空干燥保溫90min，再自然冷卻至30℃，脫除模具，制得坯體；
（7）將步驟（6）所得坯體放置于等溫化學(xué)氣相沉積爐中，在氬氣氣氛下，升溫至1050℃，保溫120min，然后關(guān)閉氬氣，通入甲烷，沉積100h，關(guān)閉甲烷，在氬氣氣氛下降至室溫，制得炭/炭復(fù)合材料。
對(duì)制得的炭/炭復(fù)合材料進(jìn)行性能測(cè)試：材料的密度為1.78g/cm3，彎曲強(qiáng)度為93.6mpa，xy向壓縮強(qiáng)度90.3mpa，z向壓縮強(qiáng)度89.1mpa。
對(duì)照例3′
與實(shí)施例3的不同之處在于：省略步驟（3），即沒有加入明膠。其它均同實(shí)施例3。
對(duì)制得的炭/炭復(fù)合材料進(jìn)行性能測(cè)試：材料的密度為1.75g/cm3，彎曲強(qiáng)度為89.5mpa，xy向壓縮強(qiáng)度67.2mpa，z向壓縮強(qiáng)度93.7mpa。
實(shí)施例4
一種凝膠注模法制備炭/炭復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：
（1）將1.0wt%（以所用去離子水的質(zhì)量為基準(zhǔn)，聚丙烯酸鈉的質(zhì)量為去離子水質(zhì)量的1.0wt%）的聚丙烯酸鈉加入去離子水中，制成分散劑溶液；
（2）將短切碳纖維分散到分散劑含量為1.0wt%的分散劑溶液中，球磨1h，使得短切炭纖維充分分散、混合均勻，制成料漿；其中，短切碳纖維的尺寸為20mm，以所需配制的料漿中去離子水的質(zhì)量為基準(zhǔn)，短切碳纖維與去離子水的質(zhì)量比為100∶100；
（3）將6.0wt%（以所用短切碳纖維粉的質(zhì)量為基準(zhǔn)，果膠的質(zhì)量為短切碳纖維質(zhì)量的6.0wt%）的果膠添入步驟（2）制成的料漿中，球磨1h，使得果膠與短切炭纖維混合均勻；
（4）將步驟（3）所得料漿放入真空干燥箱中，在90℃真空除氣；
（5）將步驟（4）中真空除氣后的料漿注入模具中，凝膠化成型；
（6）將步驟（5）所得凝膠，在150℃真空干燥保溫90min，再自然冷卻至30℃，脫除模具，制得坯體；
（7）將步驟（6）所得坯體放置于等溫化學(xué)氣相沉積爐中，在氬氣氣氛下，升溫至1150℃，保溫90min，然后關(guān)閉氬氣，通入甲烷，沉積100h，關(guān)閉甲烷，在氬氣氣氛下降至室溫，制得炭/炭復(fù)合材料。
對(duì)制得的炭/炭復(fù)合材料進(jìn)行性能測(cè)試：材料的密度為1.73g/cm3，彎曲強(qiáng)度為82.1mpa，xy向壓縮強(qiáng)度81.9mpa，z向壓縮強(qiáng)度76.4mpa。
結(jié)論：
1、根據(jù)發(fā)明人的研究，當(dāng)短切碳纖維與去離子水的質(zhì)量比為25~100∶100時(shí)，均可以制得本發(fā)明的炭/炭復(fù)合材料。通過上述實(shí)施例可知，根據(jù)本發(fā)明所提供的方法制備的炭/炭復(fù)合材料的密度以及彎曲強(qiáng)度均滿足制備耐腐蝕泵、高溫料漿泵的泵體和泵蓋。在上述四個(gè)實(shí)施例中，特別是短切碳纖維與去離子水的質(zhì)量比為75∶100時(shí)，密度以及彎曲強(qiáng)度最高；
2、通過實(shí)施例3與對(duì)照例3′可知：在其他條件完全相同的條件下，加入多糖類高分子可以克服制備炭/炭復(fù)合材料時(shí)性能各向異性明顯的缺陷。
以上所述實(shí)施例，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上述實(shí)施例還可以做出各種變化。即凡是依據(jù)本發(fā)明申請(qǐng)的權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的簡(jiǎn)單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專利的權(quán)利要求保護(hù)范圍。本發(fā)明未詳盡描述的均為常規(guī)技術(shù)內(nèi)容。還應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明所制備的炭/炭復(fù)合材料并不僅限于中間相換熱器的制備，特別適用于要求化學(xué)性能穩(wěn)定，工作環(huán)境溫度高的場(chǎng)合以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品制備。