[发明专利]一种轻质碳纤维/碳复合热场材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种密度小、保温性能好、纯度高、强度高且制备工艺简单快速的轻质碳纤维/碳复合热场材料及其制备方法，本发明创造性地使用辐照引发热引发酚醛缩合反应，利用辐照交联乙烯化合物形成乙烯基交联接枝碳纤维网络，然后通过辐照乙烯基交联反应过程中放出的热量引发酚醛缩聚反应形成酚醛交联网络，多重网络固化产物经过高温碳化和石墨化高效低能耗制备出轻质碳纤维/碳复合热场材料；得到的轻质碳纤维/碳复合热场材料的弯曲强度为3.0MPa，密度为0.14g/cm³，杂质含量可以控制在20ppm以下。

技术领域

本发明涉及碳纤维/碳复合隔热材料技术领域，具体涉及一种轻质碳纤维/碳复合热场材料及其制备方法。

背景技术

轻质碳纤维/碳复合热场材料因具有密度低、保温性能好、纯度高、机械性能好、加工成型简单等特点，而被广泛应用于多晶硅铸锭炉、单晶硅直拉炉热场、半导体长晶炉热场、蓝宝石长晶炉热场、光纤拉伸炉热场等高温热场中。

现有的碳纤维/碳复合热场材料的制备方法中，其基本制备过程包括：碳纤维软毡表面处理-浸渍酚醛树脂-模压压制-高温碳化和石墨化过程。其制备方法存在以下几个问题：(1)表面处理过程中，碳纤维与酚醛树脂结合性不好，造成制备得到的碳纤维/碳的界面结合性差，从而造成力学性能较差；(2)浸渍过程中，碳纤维软毡在浸渍酚醛树脂过程中需加入酒精等溶剂来降低树脂的黏度，使碳纤维与酚醛树脂充分浸渍，从而改善浸渍均匀性，然后通过烘干的方式进行处理，溶剂的加入会造成环境污染；(3)压制过程中，浸渍好酚醛树脂的碳纤维毡需要进一步通过压制固化成型，整个固化过程需耗时10个小时以上，生产效率低，同时压机加热需要消耗大量的能耗；(4)高温碳化和石墨化过程中，使用常规酚醛树脂碳化后残碳量低，力学性能较低，界面问题导致的力学性能差，黏度高加溶剂造成的溶剂污染问题，高温压制且压制时间长造成的低效率和高耗能问题以及残碳量低造成的力学性能差等问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的是克服现有材料和制备方法的不足之处，提供一种密度小、保温性能好、纯度高、强度高且制备工艺简单快速的轻质碳纤维/碳复合热场材料。

本发明的另一目的在于提出一种具有新型树脂结构和快速固化成型的制备轻质碳纤维/碳复合热场材料的方法。

本发明利用辐照交联乙烯化合物形成乙烯基交联接枝碳纤维网络，然后通过辐照乙烯基交联反应过程中放出的热量引发酚醛缩聚反应形成酚醛交联网络，多重网络固化产物经过高温碳化和石墨化快速制备得到轻质碳纤维/碳复合热场材料，得到的轻质碳纤维/碳复合热场材料可以达到甚至超过常规制备方法所达到的指标。

本发明采用的技术方案如下所述：

一种轻质碳纤维/碳复合热场材料，制备该材料的原材料组成及其质量份数包括：

活性碳纤维软毡：100份

乙烯基苯酚：10-30份

甲醛：4-12份

氨水：0.4-1.2份

乙烯基助交联剂：1-3份

其中，所述的活性碳纤维软毡为乙烯基硅烷偶联剂处理过的碳纤维软毡，活性碳纤维软毡是由乙烯基硅烷偶联剂处理过的长碳纤维经过气流成网-针刺成毡工艺制备得到，活性碳纤维软毡的Z向纤维与X-Y面内纤维之比为1：(50-150)，密度为500-700克/厘米²，厚度为10±1毫米；所述长碳纤维的长度为10-15厘米。

所述乙烯基苯酚优选为对乙烯基苯酚或邻乙烯基苯酚。

在电子加速器的辐照作用下，乙烯基苯酚与乙烯基交联剂、活性碳纤维软毡进行交联作用，拉近乙烯基苯酚及活性碳纤维之间的距离，放出热量，然后进一步引发苯酚与甲醛的缩合反应。

所述乙烯基苯酚的质量份优选为4-12份。