[发明专利]一种碳基复合材料的制备方法

说明书

一种新型碳基复合材料的制备方法，具体以金属模板材料为模板，采用CVD工艺生长G，将得到的G/金属模板材料浸入催化剂前驱体水溶液中，后放入管式炉，在氢气气氛下加热至生长温度，采用CVD工艺生长CNT，将得到的CNT/G/金属模板材料浸入酸溶液中，刻蚀掉金属模板得到CNT/G预制体，采用CVI工艺进行PyC沉积，最后经高温石墨化形成以CNT、G和不同织构PyC构造成的CNT/G/PyC块体复合材料，相比碳纤维预制体，CNT/G预制体可对碳基体进行亚微米尺度上的全面改性和强化，本发明制备出的新型碳基复合材料具有质轻、易加工、高强韧、高导电和高导热的优异性能。

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，特别涉及一种新型碳基复合材料的制备方法。

背景技术

碳纤维增强碳基(C/C)复合材料因具有耐高温、抗冲刷、抗烧蚀、高温力学性能极佳等独特性质，在航空、航天等高科技领域有着举足轻重的地位和作用。近年来，随着我国航空航天及国防科技的快速发展，如新一代航空发动机、空天飞行器等，对高强韧薄壁、锐形C/C构件的需求日益迫切。然而，传统C/C复合材料在薄壁、锐形构件成型中，机加工导致碳纤维(长径比急剧降低)强韧效果的严重衰退以及复合材料内毫、微米级孔隙(如叠层间隔、纤维束间隙、编织盲区等)中热解碳(Pyrocarbon，以下简称PyC)的对外显现，使得PyC成为构件的受力主体，其在高速气流冲压下极易于产生粉碎性破坏，导致薄壁、锐形构件前缘力学性能严重损伤，易产生“崩块”破坏。

随着“完美纳米碳材料”石墨烯(Graphene，以下简称G)、碳纳米管(Carbonnanotube，以下简称CNT)的发现与研究深入，给复合材料带来了全新的物理、化学与力学性能。G是由碳原子经sp²杂化形成的柔性二维材料，具有超轻比重、极大比表面积(2630m²/g)、极高石墨化度、超高力学性能(拉伸强度可达130GPa)等特性，被誉为“最强材料”。CNT可看作由单层或多层G片围绕中心轴，按一定的螺旋角卷曲而成的无缝一维纳米管，具有1000:1的超大长径比，比传统碳纤维高出一个数量级，被称为“超级纤维”。二者依靠物理和化学作用搭接而成的CNT/G宏观三维增强体，可对碳基复合材料进行多尺度混杂强韧化，尤其是可实现对碳基亚微米尺度上的全面改性和强化，有望获得一种质轻、加工性好、高强韧碳基复合材料，具有十分重要的意义。

目前，公开报道的G或CNT增强碳基复合材料制备方法主要集中于“物理掺杂”或“构建CNT-碳纤维、G-碳纤维多尺度增强体”，G和CNT二次增强体的角色定位大大限制了其对碳基复合材料巨大的增强能力。少数报道的以CNT阵列为预制体，通过沉积PyC制备出高导电、高导热的轻质CNT/PyC复合材料，但受限于CNT阵列自身尺寸，得到的复合材料厚度仅有几毫米，无法满足工程需要。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种新型碳基复合材料的制备方法，发明首先采用模板导向CVD和催化CVD两种技术手段制备出CNT和 G的宏观大尺寸预制体，然后通过CVI工艺对预制体沉积PyC进行致密化，最后经高温石墨化处理成功制备出以CNT/G为预制体，PyC为基体的大尺寸、轻质、高性能的新型碳基复合材料。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种新型碳基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备G宏观体

以多孔金属材料为模板，采用CVD工艺生长G，工艺条件为：含碳前驱体通入量0.1～500ml/min，反应温度900～1100℃，氩气流量10～1000ml/min，氢气流量 10～1000ml/min，反应时间0.1～5h，降温速率5～20℃/min；

步骤2：在G宏观体内生长CNT