[发明专利]一种高导热C/C-SiC复合材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种高导热C/C‑SiC复合材料的制备方法，包括如下步骤：对中间相沥青碳纤维进行两级碳化，编织成碳布后，采用细编穿刺法，采用PAN基碳纤维在Z向上对碳布进行穿刺，得到三维预制体；将所述三维预制体进行一级石墨化处理后，采用热解碳法对所述三维预制体进行增密后，进行两级浸渍热解增密即得所述高导热C/C‑SiC复合材料。

技术领域

本发明属于结构功能一体化复合材料技术领域。具体涉及一种高导热、抗氧化的C/C-SiC复合材料的制备方法。

背景技术

C/C-SiC复合材料继承了C/C复合材料和SiC陶瓷的特性，具有轻质高强、耐腐蚀、抗氧化以及高温力学性能好等优异特性，是最具前景的高温结构材料之一。随着高温服役环境越来越苛刻，传统的C/C-SiC复合材料已经无法满足需求。如果可以提高C/C-SiC的导热性能，即可保留传统C/C-SiC复合材料优异的力学性能和高温性能，又克服其导热系数低的缺点，进一步减小复合材料构件烧蚀使的热梯度和热应力集中，提高材料使用的可靠性。高导热C/C-SiC复合材料是一个多元材料体系，由高导热中间相沥青基碳纤维、热解碳和SiC陶瓷相组成：中间相沥青基碳纤维是增强体，起到承担载荷的作用；中间相沥青基碳纤维和热解碳构成的碳相骨架是热传导的主要载体；SiC陶瓷相起到阻隔氧气和自愈合的作用。与传统C/C-SiC复合材料不同，高导热C/C-SiC复合材料的制备需要特殊的结构设计和制备过程，主要表面在以下几个方面：首先，高导热中间相沥青基碳纤维的模量远高于PAN基碳纤维，通常在800GPa以上，编织工艺性能差，预制体成型时极容易出现纤维损伤而导致最终复合材料的力学性能和导热性能明显降低。其次，先驱体浸渍热解工艺得到的SiC与热解碳基体由于热膨胀不匹配存在明显的热应力集中现象，易导致界面裂纹，降低复合材料的抗氧化性能和抗弯强度。

发明内容

本发明旨在克服已有技术不足，目的是提供一种可用于高温结构部件的高导热C/C-SiC复合材料的制备方法。本发明针对传统C/C-SiC复合材料存在导热率低的缺点，选取高导热的中间相沥青基碳纤维和少量PAN基碳纤维共同作为复合材料的增强体，采用细编穿刺法对低模态中间相沥青基碳纤维和PAN基碳纤维进行混编，结合化学气相渗透法(CVI)、多阶段石墨化处理和先驱体浸渍热解法(PIP)制备三维高导热C/C-SiC复合材料。该法制备的C/C-SiC复合材料不仅具有较好的抗氧化性能，而且明显改善了复合材料的导热性能和抗弯强度。

本发明提供了一种高导热C/C-SiC复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)对中间相沥青碳纤维进行一级碳化得到碳纤维I，然后将所述碳纤维I二级碳化得到碳纤维II，将碳纤维II编织成碳布后，采用细编穿刺法，采用PAN基碳纤维在Z向上对碳布进行穿刺，得到三维预制体；

(2)将所述三维预制体进行一级石墨化处理和热解碳增密，得到多孔C/C复合材料骨架I；对所述多孔C/C复合材料骨架I进行二级石墨化后得到多孔C/C复合材料骨架II；

(3)采用先驱液，对多孔C/C复合材料骨架II进行浸渍热解增密I后，进行三级石墨化，得到多孔C/C复合材料骨架III，采用先驱液，对多孔C/C复合材料骨架III进行浸渍热解增密II，即得所述二维C/C-SiC复合材料；

所述先驱液包括聚碳硅烷。

所述一级碳化的温度为500～700℃。

所述碳纤维I的模量为8～50GPa。

所述碳纤维I的强度为0.30～0.45GPa。

所述二级碳化的温度为1000～1800℃。

所述碳纤维II的模量为100～300GPa。

所述碳纤维II的强度为1～2GPa。

所述碳布包括缎纹布。