[发明专利]一种以沼气为原料的炭/炭复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种炭/炭复合材的料备方法，尤其是涉及一种以沼气为原料的炭/炭复合材料的制备方法。

背景技术

炭/炭复合材料密度小、比强度大、抗热震、抗蠕变、在1000℃～2200℃之间强度随温度升高而升高，已经在战略导弹弹头、飞船返回舱、航天飞机机翼前缘等多种空天飞行器中得到广泛应用。炭/炭复合材料密度小、刚度好、高温不变形、热容小、升降温快，替代不锈钢用作真空钎焊炉料盘和渗炭淬火料盘，替代陶瓷用作粉末冶金烧结料盘，大幅度降低料盘重量，提高产品质量。炭/炭复合材料摩擦性能好、自润滑、扭转惯性小、无污染，因此可用作刹车材料和粉末冶金烧结炉中的热风循环风扇。炭/炭复合材料还可用作多晶硅、单晶硅熔炼坩埚及热场材料，陶瓷烧结炉、粉末冶金炉棚板、支架等，应用前景非常广阔。然而由于炭/炭复合材料成本高，目前国际上每年生产的70％的炭/炭复合材料用作军用及民用飞机的刹车盘，20％用作航空、航天和核技术领域，仅有10％用于民用领域。在关键部件上一般采用高性能炭纤维，而在在非关键部件上可以选用普通的炭纤维或者预氧丝，从而降低炭/炭复合材料成本，然而炭/炭复合材料并没有因为可以采用低价格的炭纤维就得到广泛使用。炭/炭复合材料高成本另一个主要原因是其制备周期长，从而需要源源不断的原料以及为保持制造设备长期处于高温状态的电能。

美国陶瓷学报快报1997年公开了采用丙烯热解在炭纤维表面制备热解炭界面层的方法(Fiber-Reinforced SiC Composites with Improved Mechanical Properties，Am.Cerm.Soc.Bull.，1987，66[2]：368)，此后国内外在制备炭纤维增强陶瓷基复合材料上基本上均采用该方法制备界面层。中国专利ZL200410026166.7(公开日为2005.02.23)公开了自热法制备炭/炭复合材料实心圆柱体制件，中国专利ZL200410073187.4(公开日为2005.02.23)公开了热梯度化学气相沉积法制备炭/炭复合材料，这两个专利的特征是将炭纤维编织体放入反应室，然后通入天然气，化学气相沉积获得炭/炭复合材料。近年来，随着资源的日渐匮乏，原材料价格不断高涨，国产丙烯每吨达到一万元以上；随着能源供应日益紧张，国际原油价格上涨，国内汽车所用汽油、柴油、天然气价格也不断上涨，部分地区汽油、天然气时断时续，寻找替代能源已成为燃眉之急。本来炭/炭复合材料价格就非常高，随着丙烯、天然气涨价，炭/炭复合材料的价格还将上涨。国际局势一旦发生变化，天然气也有可能暂时中断，因此寻找新型、可靠、环保的原料非常必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种炭/炭复合材料的制备方法，其特征在于采用沼气为原料。沼气能够再生，来源可靠，成本低廉。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种以沼气为原料制备炭/炭复合材料的方法，其特征在于包括下述顺序的步骤。

(1)将多孔炭预制件置于密闭反应室，抽真空后，开始升温至900～1200℃；

(2)将沼气池出来的沼气通入净化器进行净化；

(3)净化后沼气通入反应室进行化学反应；

(4)反应完成后，停止通入的沼气；

(5)反应室降温后，反应室内炭预制件即成为炭/炭复合材料。

反应室排出的尾气为CO、H₂和简单C-H化合物，对环境没有危害，可以直接点燃，可以排入大气，也可以回收利用。

沼气池和反应室之间通过不锈钢管道或硬质塑料管道连接，设置有截止阀门、流量计和净化器等控制装置。其中净化器能够净化沼气中的杂质，避免堵塞阀门和流量计，避免污染反应室。净化器长时间工作可能中毒失去作用，因此净化器附带有加热功能，工作一段时间后将净化器升温至900～1100℃，保温2～5小时即可恢复净化器活性。

反应室压力小于0.01MPa，加之沼气气体分子小，扩散速度快，因此沼气能渗透进多孔炭预制件中。多孔炭预制件可以是炭毡、木材热解后的蜂窝炭、连续炭纤维编织而成的立体织物，炭/炭复合材料半成品。

依据沼气通入时间长短，多孔炭预制件的增密效果不同。沼气通入时间越长，炭预制件越致密，通入时间足够长则能够制备气孔率小于5％的炭/炭复合材料。通入时间越短，致密化效果越不显著，根据需要可以制备多孔炭/炭复合材料半成品用作过滤及生物材料，或者经过其他处理后再次放入反应室进行致密化。

900～1200℃制备的C/C复合材料表面发生非正常化学反应，停止通入沼气，然后把反应室升温至1600～2400℃，保温一段时间后表面粘结收缩，生成新的孔洞。