[发明专利]一种制备碳/碳复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于碳材料制备领域，具体涉及一种制备碳/碳复合材料的方法。

背景技术

碳/碳复合材料作为一种性能独特的新型碳材料，综合了碳纤维与碳材料的优异性能，不仅限于航空、航天等尖端技术领域，已经扩展到交通、化工、体育和医学等诸多民用领域。从采用石油或煤沥青的液相浸渍技术，到利用气态烃类物质的化学气相沉积技术，以及最新的利用液态烃的膜沸腾沉积技术，碳/碳复合材料的制备周期不断缩短，致密化效率不断提高，但是其碳源依然无法摆脱石化燃料及其衍生物的限制。然而，石化燃料是不可再生资源，碳/碳复合材料的需求日益增大给日趋严峻的能源危机带来了压力。石化燃料的裂解过程复杂，副反应产物多为结构复杂的废气或碳烟颗粒物，对环境的污染也不容小视。碳/碳复合材料的发展面临绿色制造的新挑战，开发高效、节能、环保和可循环的新工艺和新技术，成为碳/碳复合材料的研究热点。

生物质作为地球上碳元素储存的另一种方式，具有可再生，低污染，分布广泛的特点被认为是人类取之不尽的资源宝库，生物质替代石化燃料来解决能源安全问题代表着新能源的发展方向，也为碳/碳复合材料提供了新的碳源选择。西北工业大学张守阳教授提出了醇类碳源的碳/碳复合材料制备新技术，分别利用乙醇[无机材料学报,2009,24:1073-1076]，正丙醇[无机材料学报，2011，26：191-196]作为碳源，采用等温CVI工艺制备了密度达到1.7g/cm³的碳/碳复合材料，其致密化时间仅需要96小时，显示了醇类碳源作为CVI工艺前驱体的优越性。然而，以醇类碳源CVI工艺制备碳/碳复合材料，其裂解温度需要1000℃以上，致密化时间长达96小时。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备碳/碳复合材料方法，该方法绿色环保、高效可行、低成本、反应温度低、可实现碳/碳复合材料的快速致密化。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：

1）将能够水解的生物质与水混合均匀，得生物质分散液体；其中，每升生物质分散液体中含有50～200g的生物质；

2）将碳纤维预制体浸没在生物质分散液体中，得到反应体系A；然后在加热条件下使反应体系A在水热釜中于180℃～250℃反应1h～3h，反应结束后，待反应体系冷却后，将沉积了生物质的碳纤维预制体取出并用水洗涤干净，即得碳/碳复合材料。

所述的步骤1）中的生物质为蔗糖、葡萄糖、淀粉、纤维素中的一种或多种任意比例的混合物。

所述的步骤2）中的碳纤维预制体采用短切碳纤维预制体、针刺碳毡预制体、整体碳毡预制体、碳布叠层预制体中的一种或多种任意比例的混合物。

所述的碳纤维预制体中的纤维体积分数在10%～40%。

所述水热釜的填充比控制在0.4～0.6。

所述的加热方式采用电阻加热、微波加热或感应加热。

一种制备碳/碳复合材料的方法，包括以下步骤：

1）将能够水解的生物质与水混合均匀，得生物质分散液体；其中，每升生物质分散液体中含有50～200g的生物质；

2）将碳纤维预制体浸没在生物质分散液体中，得到反应体系A；然后在加热条件下使反应体系A在水热釜中于180℃～250℃反应1h～3h，反应结束后，待反应体系冷却后，将沉积了生物质的碳纤维预制体取出并用水洗涤干净；

3）将洗涤干净且沉积了生物质的碳纤维预制体浸没在步骤1）得到的生物质分散液体中，得到反应体系B，然后在加热条件下使反应体系B在水热釜中于180℃～250℃反应1h～3h，反应结束后，待反应体系冷却后，将沉积了生物质的碳纤维预制体取出并用水洗涤干净；

4）反复重复步骤3）直至得到设定密度值的碳/碳复合材料。

所述的步骤1）中的生物质为蔗糖、葡萄糖、淀粉、纤维素中的一种或多种任意比例的混合物。

所述的步骤2）中的碳纤维预制体中的纤维体积分数在10%～40%，碳纤维预制体采用短切碳纤维预制体、针刺碳毡预制体、整体碳毡预制体、碳布叠层预制体中的一种或多种任意比例的混合物。

所述水热釜的填充比控制在0.4～0.6。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明是以生物质为原材料，利用水热碳化技术实现生物质碳在碳纤维预制体内的沉积，实现碳/碳复合材料的致密化。该方法具有以下的特点：

其一，本发明以可再生、来源广的生物质为碳源，因此成本低，绿色环保；