关于碳碳复合材料的制备工艺流程

制备碳 / 碳复合材料的主要步骤为 : 预制体成型 →致密化处理 →最终高温热处理 .

 预制体成型
　　在进行预制体成型前 , 根据所设计复合材料的应用和工作环境来选择纤维种类和编织方式 . 例如 ,
对重要的结构选用高强度、高模量纤维 . 对要求导热系数低的则选用低模量炭纤维 , 如粘胶基炭纤维  .
成型方法为用短纤维增强: 

(1)压滤法;

(2)喷涂法;

(3)热压法;

 (4)浇注法  .

用连续长纤维增强:

 (1)预浸布层压、铺压、缠绕等做成层压板、回转体和异形薄壁结构;

 (2)编织技术 .

 　致密化处理
　　成型后的预制体含有许多孔隙 , 密度也低 , 不能直接应用 , 须将炭沉积于预制体 , 填满其孔隙 , 才能
成为真正的结构致密 、性能优良的碳 / 碳复合材料 , 此即致密化过程 . 传统的致密化工艺大体分为液相浸
渍和化学气相沉积 (CVI) 两种 .
 　液相浸渍工艺 　　液相浸渍工艺一般在常压或减压下进行 . 工艺过程如图 1 所示 , 主要用多次
重复浸渍 ———炭化 ———石墨化 , 达到致密预制体 . 此工艺存在问题是: 

(1)工艺繁复、周期长、效率低 ;
(2) 液体难以浸渍到预制体微孔中;

 (3)有些浸渍液在常压和减压下炭化收率低 , 必须加压 , 如煤沥青 ; 

(4)有些浸渍液炭化时粘附性过好 , 易于阻塞气孔口 , 难以达到致密要求 , 如树脂  .

　由于上述原因 , 后来发展了高压浸渍炭化工艺 , 所使用的压力皆超过 2 MPa  . 此工艺对设备要求高 , 操作要求严格 , 且导致成本上升 .

　化学气相沉积 (Chemical Vapor Infiltration , 简称CVI)工艺 　　

     有的文献称化学气相沉积工艺是最早采用的一种致密化方法 , 其工艺过程如图 2 所示 . 主要原理是利用碳氢化合物气体在高温下分解并沉积炭于预制体 . 与液相浸渍工艺相比 , 化学气相沉积工艺不仅过程便于精确控制 , 而且所制备的材料还具有结构均匀 、完整、致密性好、石墨化程度高等优点 . 目 前国外主要用等温 CVI 法生产碳 / 碳复合材料刹车盘 . 常规化学气相沉积方工艺 ( 等温法 ) 仍有许多不足 : 由于受到气相扩散速率和表面反应速率的制约 , 在一个较窄的工艺条件下进行 . 因此 , 对沉积炭显微组织的选择余地有限 , 得到的通常为光滑层 (SL)组织 , 要想提高沉积炭温度 , 以得到粗糙层 (RL) 炭 , 则又易形成表面的气孔堵死 , 以及表层和里层的密度差提高 [6] . 同时 , 等温 CVI 制备碳 / 碳复合材料周期长 ( 约 1 000 - 1 500 h) 、原料气利用率低 ( < 5 %) ,需要数次石墨化和机加工 , 需用大量高能耗的贵重设备 , 成本很高 .

　　后来又研究开发了改进的 CVI 工艺 , 如热梯度法、压差法、脉冲法等 . 其中热梯度法 CVI [6] 比等温法CVI 的沉炭速率高一个数量级 , 可以在常压下进行 , 且不易在工件表面结皮 . 其缺点是只适宜单件生产 ,并难以按比例放大工艺 . 压差法也是仅适用于单件生产 , 且需良好的高温密封措施 , 同样也难以在工业应用上推广 . 总之 , 这些方法虽在一定程度上能加快致密速度 , 但于生产实际要求还相差甚远 .
　　除上述方法外 , 值得一提的还有快速定向扩散法 [7 ,8] 和化学液气相沉积法 (Chemical Liquil Vapor De 2position , 简称 CLVD), 其中快速定向扩散法是对化学气相沉积设备作了 改进 ; 在炉内增设了 沉积室和气体定向扩散装置 , 配合工艺参数的调整 , 使处于低温的气体快速扩散到试样内部 , 并借助温度梯度使沉积过程从试样内部到表面顺序进行 [8] . 椐报道 , 在沉积温度 950 ℃ , 炉压 6 1 6 MPa 时 , 碳沉积 300 h. 较大尺寸的碳 / 碳复合材料制品密度可达 1 1 75 g/ cm 3 , 比国内目前研制的工艺沉积时间缩短了 3 - 5 倍 , 且试样表面无涂层和炭黑形成 , 可省去中间高温热处理和机械加工工序 , 且节约了 试样材料 , 对 CVI 法而言确是明显的提高 . 化学液气相沉积法 (CLVD) 是将预制在整个沉积周期内始终完全浸泡在液体先驱
体 ( 煤油 ) 里 , 预制体围绕在发热体上 , 加热时由内向外产生温度梯度 , 温度高处的煤油先气化 , 沉炭 , 逐渐向外推移 . 据报道 ,2 1 5 h 内 ,3 1 8 mm 厚制件可致密达 1 1 76 g/ cm3, 耗煤油 15 kg. 又  据文献报道 ,1 200℃的致密速度是 950 ℃的 25 倍 , 法国 、美国已用 CLVD 法成功制备了 碳 / 碳复合材料飞机刹车盘 [10 ,11 ] ,取得了可观的经济效益 . 该方法也存在不少问题 , 如不能持续供料 , 中间需待炉体冷却才可加料 , 且需反复多次 , 故时间长 , 效率低 . 另外 , 先驱体不能完全在炉内冷却 , 而且这种方法距实际生产要求还相差甚远 , 有待于进一步发展 .
　　综上各种方法比较 , 化学气相沉积 (CVI) 法是制备高性能碳 / 碳复合材料的一种很有前途的方法 , 但是 , 制备周期长 , 成本高 , 工序复杂是其不足之处 。更多碳碳复合材料信息可查看http://www.tqtf008.top