一种改善二维碳/碳复合材料界面结合强度的方法

摘要

本发明涉及一种改善二维碳/碳复合材料界面结合强度的方法，从而提高材料平面方向拉伸强度，属于防热承载一体化碳/碳复合材料制备技术领域。经过本发明的方法得到的二维碳/碳复合材料纤维和基体界面结合强度适中，断口形貌粗糙，多层次、多尺度纤维拔出较为明显，较好地发挥了纤维的承载与传力效果，使得材料拉升性能大幅度提高，拉伸强度达137～301MPa，较改进前92MPa提高50%以上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种改善二维碳/碳复合材料界面结合强度的方法，从而提高材 料平面方向拉伸强度，属于防热承载一体化碳/碳复合材料制备技术领域。

背景技术

碳/碳复合材料（Carbon/Carbon Composite）是一类由碳纤维增强的碳基复 合材料，它综合了碳材料的高温性能和复合材料优异的力学性能，具有防热与 承载一体化的特点，在航空航天热防护材料领域中占据重要的地位。按照增强 预制体结构分类，可以分为二维碳/碳复合材料、三维碳/碳复合材料、四向乃至 多向碳/碳复合材料。其中，二维铺层碳/碳复合材料制备简单、周期短、成本低 更是成为航空航天飞行器热端部件选材之首选。早期的航天飞机鼻锥帽、机翼 前缘一直采用先进二维碳/碳复合材料（RCC、ACC），据报道，近期的HTV-2 试飞器大面积防热壳体也采用了这类结构复合材料。

然而，采用传统的热压、液相浸渍/碳化/高温处理工序制备的二维碳/碳复合 材料界面结合强度过高，拉伸过程中应力在界面处无法释放，导致纤维束四周 产生应力集中而发生整齐断裂（如附图1），从而极大限制了纤维承载性能的发 挥。本发明针对二维碳/碳复合材料界面结合强度过高导致的脆性断裂问题，提 出了一种合理的高温处理制度和碳布预处理工艺，达到了改善纤维和基体界面 结合强度的目的，充分发挥了纤维和界面协同承载效果，使得二维碳/碳复合材 料平面方向拉伸强度由早期的92MPa提高到137MPa～301MPa。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有二维碳/碳复合材料技术中界面结合过强的问 题，提出一种改善二维碳/碳复合材料界面结合强度的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种改善二维碳/碳复合材料界面结合强度的方法，步骤为：

1）将碳纤维编织成碳布；

2）将酚醛树脂和炭黑填料进行混合制成酚醛树脂溶液，然后将步骤1）中 得到的碳布浸渍到酚醛树脂溶液中制成预浸料，并剪裁成布块；

3）将步骤2）中得到的布块铺放成坯体；

4）将步骤3）中得到的铺层坯体在热压机平台上进行加热、加压固化，得 到二维碳/碳复合材料过程样件；

5）将步骤4）中得到的二维碳/碳复合材料过程样件放入碳化炉中进行碳化 处理，得到半致密二维碳/碳复合材料；

6）将步骤5）中得到的半致密二维碳/碳复合材料放入高温炉中进行高温石 墨化处理；

7）将步骤6）得到的半致密二维碳/碳复合材料用酚醛树脂进行液相浸渍、 固化；

8）将步骤7）中得到的半致密二维碳/碳复合材料放入碳化炉中进行碳化处 理；

9）将步骤8）中得到的半致密二维碳/碳复合材料放入高温炉中进行高温石 墨化处理；

10）重复步骤7）至步骤9）2到3次。

上述步骤1）中，碳布为缎纹规格，可以为四枚缎纹、五枚缎纹、六枚缎纹、 七枚缎纹或八枚缎纹，对得到的碳布还可以进行高温预处理，碳布高温预处理 温度为750-900℃，保温时间1～2h；

上述步骤2）中，炭黑填料的质量为酚醛树脂溶液质量的5%～15%；

上述步骤4）中，加热温度为160-200℃，保温时间为4～6h，固化时压力为 5-20MPa，保压1-2h；

上述步骤5）中，碳化处理温度为750-900℃，保温时间为2-5h；

上述步骤6）中高温石墨化处理温度为2100-2300℃，保温时间为1-3h；

上述步骤7）中浸渍压力1～3MPa，固化温度160～210℃，保温2～4h；

上述步骤8）中碳化处理温度为750-900℃，保温时间为2-5h；

上述步骤9）中高温石墨化处理温度为2000-2300℃，保温时间为1-3h。

有益效果

本发明的方法制备的二维碳/碳复合材料纤维和基体界面结合强度适中，断 口形貌粗糙，多层次、多尺度纤维拔出较为明显，较好地发挥了纤维的承载与 传力效果，使得材料拉升性能大幅度提高，拉伸强度达137～301MPa，较改进前 92MPa提高50%以上。

附图说明

图1为对比例中碳纤维直接编织成八枚缎纹碳布获得的复合材料放大100 倍的拉伸断口形貌图；

图2为对比例中碳纤维直接编织成八枚缎纹碳布获得的复合材料放大500 倍的拉伸断口形貌图；

图3为实施例4中最后得到的二维碳/碳复合材料放大60倍的拉伸断口形貌 图；

图4为实施例4中最后得到的二维碳/碳复合材料放大1000倍的拉伸断口形 貌图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

下面采用DqES415-2005方法进行拉伸强度性能的测试。

实施例1

1）将5Kg碳纤维编织成四枚缎纹碳布；

2）将炭黑填料与酚醛树脂溶液按质量比1：9配比，得到酚醛树脂溶液， 并将步骤1）中得到的碳布浸渍到酚醛树脂溶液中制成预浸料，并剪裁成 200mm×200mm的布块；

3）将2）中得到的布块按0°、90°铺放成20mm厚度坯体；

4）将3）中得到的铺层坯体在热压机平台上进行加热，加热至90℃，保温 30min后开始加压至5MPa，保压2h，随后继续升温至180℃，保温、保压4h， 得到二维碳/碳复合材料过程样件；

5）将4）中得到的二维复合材料过程样件放入碳化炉中在氩气气氛保护下 升温至850℃，保温2h，进行碳化处理，随后随炉冷却，得到半致密二维碳/碳 复合材料；

6）将5）中得到的半致密二维复合材料放入高温石墨化炉中，充入氩气气 体，升温至2300℃并保持2h，随后随炉冷却；

7）将6）得到的半致密二维碳/碳复合材料用酚醛树脂进行液相浸渍、固化， 浸渍压力3MPa，固化温度190℃，保温3h；

8）将7）中得到的半致密二维碳/碳复合材料放入碳化炉中进行碳化处理， 氩气气氛保护下升温至850℃，保温2h；

9）将8）中得到的半致密二维复合材料放入高温炉中进行高温石墨化处理， 氩气气氛下升温至2000℃，保温2h；

10）重复步骤7）至步骤9）2次。

通过以上步骤得到的二维碳/碳复合材料，密度1.67g/cm³，平面方向拉伸强 度137MPa。

实施例2

1）将5Kg碳纤维编织成八枚缎纹碳布；

2）将炭黑填料与酚醛树脂溶液按质量比1：9配比，得到酚醛树脂溶液， 并将步骤1）中得到的碳布浸渍到酚醛树脂溶液中制成预浸料，并将步骤1）中 得到的碳布与获得的含填料酚醛树脂浸渍制成预浸料，并剪裁成 200mm×200mm的布块；

3）将2）中得到的布块按0°、90°铺放成20mm厚度坯体；

4）将3）中得到的铺层坯体在热压机平台上进行加热，加热至90℃，保温 30min后开始加压至5MPa，保压2h，随后继续升温至180℃，保温、保压4h， 得到二维碳/碳复合材料过程样件；

5）将4）中得到的二维复合材料过程样件放入碳化炉中在氩气气氛保护下 升温至850℃，保温2h，进行碳化处理，随后随炉冷却，得到半致密二维碳/碳 复合材料；

6）将5）中得到的半致密二维复合材料放入高温石墨化炉中，充入氩气气 体，升温至2300℃并保持2h，随后随炉冷却；

7）将6）得到的半致密二维碳/碳复合材料用酚醛树脂进行液相浸渍、固化， 浸渍压力3MPa，固化温度190℃，保温3h；

8）将7）中得到的半致密二维碳/碳复合材料放入碳化炉中进行碳化处理， 氩气气氛保护下升温至850℃，保温2h；

9）将8）中得到的半致密二维复合材料放入高温炉中进行高温石墨化处理， 氩气气氛下升温至2000℃，保温2h；

10）重复步骤7）至步骤9）2次。

通过以上步骤得到的二维碳碳复合材料，密度1.68g/cm³，平面方向拉伸强 度167MPa。

实施例3

1）将5Kg碳纤维编织成四枚缎纹碳布，碳布预处理温度850℃，保温1h；

2）将炭黑填料与酚醛树脂溶液按质量比1：9配比，得到酚醛树脂溶液， 并将步骤1）中得到的碳布浸渍到酚醛树脂溶液中制成预浸料，并将步骤1）中 得到的碳布与获得的含填料酚醛树脂浸渍制成预浸料，并剪裁成 200mm×200mm的布块；

3）将2）中得到的布块按0°、90°铺放成40mm厚度坯体；

4）将3）中得到的铺层坯体在热压机平台上进行加热，加热至90℃，保温 30min后开始加压至5MPa，保压2h，随后继续升温至180℃，保温、保压4h， 得到二维碳/碳复合材料过程样件；

5）将4）中得到的二维复合材料过程样件放入碳化炉中在氩气气氛保护下 升温至850℃，保温2h，进行碳化处理，随后随炉冷却，得到半致密二维碳/碳 复合材料；

6）将5）中得到的半致密二维复合材料放入高温石墨化炉中，充入氩气气 体，升温至2300℃并保持2h，随后随炉冷却；

7）将6）得到的半致密二维碳/碳复合材料用酚醛树脂进行液相浸渍、固化， 浸渍压力3MPa，固化温度190℃，保温3h；

8）将7）中得到的半致密二维碳/碳复合材料放入碳化炉中进行碳化处理， 氩气气氛保护下升温至850℃，保温2h；

9）将8）中得到的半致密二维复合材料放入高温炉中进行高温石墨化处理， 氩气气氛下升温至2000℃，保温2h；

10）重复步骤7）至步骤9）2次。

通过以上步骤得到的二维碳/碳复合材料，密度1.68g/cm³，平面方向拉伸强 度240MPa。

实施例4

1）将5Kg碳纤维编织成八枚缎纹碳布，碳布预处理温度850℃，保温1h；

2）将炭黑填料与酚醛树脂溶液按质量比1：9配比，得到酚醛树脂溶液， 并将步骤1）中得到的碳布浸渍到酚醛树脂溶液中制成预浸料，并剪裁成 200mm×200mm的布块；

3）将2）中得到的布块按0°、90°铺放成40mm厚度坯体；

4）将3）中得到的铺层坯体在热压机平台上进行加热，加热至90℃，保温 30min后开始加压至5MPa，保压2h，随后继续升温至180℃，保温、保压4h， 得到二维碳/碳复合材料过程样件；

5）将4）中得到的二维复合材料过程样件放入碳化炉中在氩气气氛保护下 升温至850℃，保温2h，进行碳化处理，随后随炉冷却，得到半致密二维碳/碳 复合材料；

6）将5）中得到的半致密二维复合材料放入高温石墨化炉中，充入氩气气 体，升温至2300℃并保持2h，随后随炉冷却；

7）将6）得到的半致密二维碳/碳复合材料用酚醛树脂进行液相浸渍、固化， 浸渍压力3MPa，固化温度190℃，保温3h；

8）将7）中得到的半致密二维碳/碳复合材料放入碳化炉中进行碳化处理， 氩气气氛保护下升温至850℃，保温2h；

9）将8）中得到的半致密二维复合材料放入高温炉中进行高温石墨化处理， 氩气气氛下升温至2000℃，保温2h；

10）重复步骤7）至步骤9）2次，得到二维碳/碳复合材料，其放大60倍 的拉伸断口形貌如图3所示，放大1000倍的拉伸断口形貌如图4所示。

通过以上步骤得到的二维碳/碳复合材料，密度1.68g/cm³，平面方向拉伸强 度301MPa。

对比例

1）将5Kg碳纤维直接编织成八枚缎纹碳布；

2）将炭黑填料与酚醛树脂溶液按质量比1：9配比，得到酚醛树脂溶液， 并将步骤1）中得到的碳布浸渍到酚醛树脂溶液中制成预浸料，并剪裁成 200mm×200mm的布块；

3）将2）中得到的布块按0°、90°铺放成40mm厚度坯体；

4）将3）中得到的铺层坯体在热压机平台上进行加热，加热至90℃，保温 30min后开始加压至5MPa，保压2h，随后继续升温至180℃，保温、保压4h， 得到二维碳/碳复合材料过程样件；

5）将4）中得到的二维复合材料过程样件放入碳化炉中在氩气气氛保护下 升温至850℃，保温2h，进行碳化处理，随后随炉冷却，得到半致密二维碳/碳 复合材料；

6）将5）中得到的半致密二维复合材料放入高温石墨化炉中，充入氩气气 体，升温至2000℃并保持2h，随后随炉冷却；

7）将6）得到的半致密二维碳/碳复合材料用酚醛树脂进行液相浸渍、固化， 浸渍压力3MPa，固化温度190℃，保温3h；

8）将7）中得到的半致密二维碳/碳复合材料放入碳化炉中进行碳化处理， 氩气气氛保护下升温至850℃，保温2h；

9）将8）中得到的半致密二维复合材料放入高温炉中进行高温石墨化处理， 氩气气氛下升温至2000℃，保温2h；

10）重复步骤7）至步骤9）2次，得到二维碳/碳复合材料，其放大100倍 的拉伸断口形貌如图1所示，放大500倍的拉伸断口形貌如图2所示。

通过以上步骤得到的二维碳/碳复合材料，密度1.53g/cm³，平面方向拉伸强 度92MPa。