碳/碳復合材料用基體碳的分類
目前,碳/碳復合材料的基體碳主要通過CVI工藝和浸漬、碳化(含碳化合物高的液態有機物質)等工藝制備。通過CVI工藝所獲得的基體碳為沉積碳(或熱解碳),而液態浸漬-碳化所得的基體碳依據浸漬的前驅體類型分為樹脂碳和瀝青碳。
沉積碳
由CVI工藝原理可知,通過氣相分解或反應生成的固態物質一般在某固定基體上成核并生長。在碳/碳復合材料的制備過程中,獲取沉積碳的前驅氣體主要有甲烷、丙烷、丙烯等碳氫化合物及天然氣等。PS:金博股份使用的前驅氣體主要是天然氣(甲烷)。
樹脂碳與瀝青碳
樹脂碳和瀝青碳均是纖維預成型體經過浸漬樹脂或者瀝青等浸潰劑后,采用固化和碳化處理獲得的基體碳。碳/碳復合材料基體碳選擇樹脂或者瀝青碳時,一般要考慮以下幾點:
碳化收率:碳化收率高的浸漬劑可以提高制備碳/碳復合材料的效率,減少浸潰次數。
粘度:為了使浸漬劑最大量地浸入到預制體中,要求粘度適中。
熱解碳化時可以形成張開型的裂縫和孔隙,以利于多次浸漬形成致密的碳/碳復合材料。
碳化強度:碳化后收縮時不會破壞碳纖維預制體的結構以及形狀。
顯微結構:有利于增強碳/碳復合材料的性能。
浸漬劑的碳化率
常用的浸漬劑有煤焦油瀝青和酚醛樹脂,這兩種浸漬劑的碳化率一般為50% - 60%。也有很多樹脂的碳化率可達65% ~ 85%,如雙酚樹脂、聚苯撐和聚苯并咪唑等,但是這些樹脂因為成本高而較少應用。
碳/碳復合材料的基體改性研究
碳/碳復合材料的優異性能主要取決于碳纖維、基體碳和界面三大部分。
碳基體在碳/碳復合材料的組成中占有很大的比重,因此碳基體的種類和結構狀態往往對碳/碳復合材料的各項性能有顯著的影響,而碳基體的可設計性可進一步為碳/碳復合材料不同性能的提高提供了各種可能。例如要獲得高彎曲強度的碳/碳復合材料,可以選擇制備RL層和ISO層組合的碳基體,如果要獲得具有較高斷裂韌性的碳/碳復合材料,則需要制備以SL層和RL層為主的碳基體。一般來說,熱解碳基碳/碳復合材料的力學性能優于樹脂碳基碳/碳復合材料,而瀝青碳基碳/碳復合材料則由于瀝青碳層片微裂紋而更有利于發揮纖維增強效應和提高層間剪切強度。
資料參考:《碳/碳復合材料》,李賀軍、付前剛等編著
為了更好地了解碳/碳復合材料用基體瀝青的改性研究,2021年11月18-20日在上海舉行的“Carbontech第二屆碳/碳復合材料論壇” 特邀 西北工業大學李鐵虎教授 蒞臨本次大會,分享《碳/碳復合材料用基體瀝青的改性研究》主題報告。
本主題報告研究改性瀝青及其碳/碳復合材料的工藝理論,不僅使采用改性瀝青為基體的碳材料高溫抗氧化性得到大幅度提高,而且使其力學性能也得到了顯著提高;提出了“多次抽氣”工藝技術,并對低壓浸漬工藝進行改進,避免了高壓浸漬工藝操作帶來的復雜性及危險性,可在常規設備上制備出高性能、低成本的改性瀝青基碳/碳復合材料;特別是提出了改性瀝青基碳/碳復合材料的工藝理論、氧化三段論,在“束間和束內浸漬增密”過程中,首次建立了瀝青浸漬效率的參數方程,形成了新的浸漬增密法則,并通過實驗驗證了該法則的合理性與可靠性。
專家介紹
李鐵虎,西北工業大學材料學院教授、博士生導師。國務院學位委員會學科評議組成員、教育部教學指導委員會委員、國家石墨烯產品質量監督檢測中心學術委員會委員、陜西省石墨烯新型炭材料工程實驗室主任、《炭素技術》副主編、《新型炭材料》編委、《炭素》編委、《煤炭轉化》編委、《交通運輸工程學報》編委。多年來一直從事航空航天用炭—石墨材料的教學與研究工作,先后完成和在研國家及軍隊炭材料領域課題30余項,獲省部級科技成果一、二、三等獎4項,獲國家教學成果一等獎及省部級教學成果特等獎各1項,發表論文300余篇,包括在Nature-Electronics、Nature-Communication等期刊上發表論文6篇,ESI高被引論文18篇(次),研究成果已在多家企業獲得應用。