一种碳基复合材料及其生产工艺

摘要

本发明涉及一种用于密封材料的碳纤维增强碳基复合材料及其生产工艺。包括将按一定质量分数配比得到的混合料直接用模具压制成产品形状，升高温度至浸渍填充物转化成碳蒸汽时，向烧结炉内加压至压强不小于7MPa，保持此温度、压强不变2-3小时，让煤沥青蒸汽更充分填充到产品的缺陷空隙中。继续升温至1000-1100℃，保持烧结炉内压力不小于7MPa的状况下自然冷却到室温。用这种生产工艺得到的碳基复合材料具有高强度、高密度、气孔率低等特点，符合密封材料高物理性能的要求。

权利要求

1.一种碳基复合材料生产工艺，其特征在于：按照下述步骤实施：a.原材料为占总质量为5-10％基体材料石墨、10-15％增强体碳纤维、50-65％添加剂和20-25％浸渍填充物；

所述添加剂为煤焦微粉、碳黑、甲醇、乌洛托品和硬脂酸锌，在原材料中的质量分数分别为：煤焦微粉30-35％，碳黑5-10％，甲醇8-9％，乌洛托品3-5％，硬脂酸锌4-6％；

所述浸渍填充物为煤沥青；

b.将基体材料、增强体和添加剂搅拌混合得到混合料；

c.将混合料用模压制成产品形状得到模压产品，将模压产品和浸渍填充物层层相叠平铺在烧结炉内；

d.升高烧结炉内温度至浸渍填充物完全熔化，继续升温至浸渍填充物转化成碳蒸汽时，保持温度不变，向烧结炉内加压至不小于7MPa，保持烧结炉内温度为200℃、压强不变

2-3小时，直至碳蒸汽完全充分填充到产品的缺陷空隙中；

e.继续升温至比浸渍填充物石墨化温度高200℃-300℃，在烧结炉内压力保持不变的情况下自然冷却到室温。

2.根据权利要求1所述的碳基复合材料生产工艺，其特征在于：所述d步骤中向烧结炉内加压的方法为通入氮气。

3.根据权利要求2所述的碳基复合材料生产工艺，其特征在于：所述浸渍填充物为粉末状。

4.根据权利要求3所述的碳基复合材料生产工艺，其特征在于：所述e步骤中继续升温至1000℃-1100℃。

5.一种碳基复合材料，其特征在于：由权利要求1-4任一项所述的生产工艺制得。

说明书

一种碳基复合材料及其生产工艺

技术领域

[0001] 本发明涉及一种碳基复合材料及其生产方法，特别是涉及一种具有高强度、高密度的碳纤维增强碳基复合材料及其生产工艺。

背景技术

[0002] 纤维碳基复合材料目前在汽车、公共设施、工业泵制造等领域具有广泛的应用，尤其是在机械密封领域，但国内市场生产的碳基密封材料的脆性和硬度不足，直接影响了机械密封件的使用寿命，同境外先进国家相比有很大的差距，国内制造高档汽车的厂家都不用国产机械密封件，全部进口，国产机械密封件更难在国际市场上占一席之地。

[0003] 国内生产碳基密封材料的工艺比较落后，首先将碳石墨粉做成棒状或块状，在窑炉内慢慢焙烧，焙烧时间约30天左右，然后把焙烧好的棒状或块状坯料经过时效后再加工成所要求的产品形状，之后放在浸渍炉里浸渍。这种浸渍方法残炭率较低，为使被浸渍产品的性能达到技术要求，只能长时间重复这种操作程序，慢慢地将浸渍填充物一点点渗透进去。一般情况下，从碳石墨粉做成合格的碳基产品，约3个月时间，所用时间非常长。在制造过程中，需要将坯料二次加工，加工过程产生大量的石墨粉尘，不但浪费大量的石墨粉原材料，同时还对环境造成污染，对作业人员的身体健康带来潜在危害。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种高强度、高密度碳纤维增强碳基复合材料和生产时间短、成本低、无污染的碳纤维增强碳基复合材料生产工艺。

[0005] 本发明碳基复合材料的生产工艺包括以下步骤：

[0006] a.原材料为占总质量为5-10％基体材料、10-15％增强体、50-65％添加剂和20-25％浸渍填充物；

[0007] b.将基体材料、增强体和添加剂搅拌混合得到混合料；

[0008] c.将混合料用模压制成产品形状得到模压产品，将模压产品和浸渍填充物层层相叠平铺在烧结炉内；

[0009] d.升高烧结炉内温度至浸渍填充物完全熔化，继续升温至浸渍填充物转化成碳蒸汽时，保持温度不变，向烧结炉内加压，保持烧结炉内温度、压强不变至碳蒸汽完全充分填充到产品的缺陷空隙中；

[0010] e.继续升温至比浸渍填充物石墨化温度高200℃-300℃，在烧结炉内压力保持不变的情况下自然冷却到室温。

[0011] 本发明碳基复合材料的生产工艺，其中所述基体材料为石墨，增强体为碳纤维，浸渍填充物为煤沥青。

[0012] 本发明碳基复合材料的生产工艺，其中所述添加剂为煤焦微粉、炭黑、甲醇、乌洛托品和硬脂酸锌，占原材料的质量分数分别为：30-35％、5-10％、8-9％、3-5％和4-6％。

[0013] 本发明碳基复合材料的生产工艺，其中所述c步骤中将混合料用模压制成模压产品，是在加热的条件下进行的，目的是使混合料软化便于成型，温度高于常温低于45℃。

[0014] 本发明碳基复合材料的生产工艺，其中所述d步骤中保持烧结炉内温度为200℃，压强不小于7MPa。

[0015] 本发明碳基复合材料的生产工艺，其中所述d步骤中烧结炉内保持温度、压强不变的时间为2-3小时。

[0016] 本发明碳基复合材料的生产工艺，其中所述d步骤中向烧结炉内加压的方法为通入氮气。

[0017] 本发明碳基复合材料的生产工艺，其中所述浸渍填充物为煤沥青，形状为粉末状。

[0018] 本发明碳基复合材料的生产工艺，其中所述e步骤中继续升温至1000℃-1100℃。

[0019] 本发明碳基复合材料，通过包括下述步骤的方法制得：

[0020] a.原材料为占总质量为5-10％基体材料、10-15％增强体、50-65％添加剂和20-25％浸渍填充物；

[0021] b.将基体材料、增强体和添加剂搅拌混合得到混合料；

[0022] c.将混合料用模压制成产品形状得到模压产品，将模压产品和浸渍填充物层层相叠平铺在烧结炉内；

[0023] d.升高烧结炉内温度至浸渍填充物完全熔化，继续升温至浸渍填充物转化成碳蒸汽时，保持温度不变，向烧结炉内加压，保持烧结炉内温度、压强不变至碳蒸汽完全充分填充到产品的缺陷空隙中；

[0024] e.继续升温至比浸渍填充物石墨化温度高200℃-300℃，在烧结炉内压力保持不变的情况下自然冷却到室温。

[0025] 将得到的产品再放入人工时效炉内，保持温度200℃、压力为常压的状态下6小时，之后用超声波清洗机清洗，检验合格后得到。

[0026] 本发明的有益效果：与现有技术不同之处在于本发明采用粉末混合料直接用模具压制成型，在高温高压的环境中碳纤维和石墨一次性复合成制品，且在高温高压环境中进行浸渍填充，既阻止了浸渍溶液的反渗，又实现了一次性浸渍就得到达到物理性能要求的复合材料。该工艺降低了产品成本，节约大量原材料，杜绝环境污染和对人体的潜在危害，可在小于传统工艺几十倍时间内完成全部作业程序，大大提高了生产效率。

附图说明

[0027] 图1为本发明碳基复合材料生产工艺的各个步骤方框流程图。

具体实施方式

[0028] 下面结合本发明具体的生产工艺，进一步阐述本发明。

[0029] 实施例1，将基体材料石墨8.0g，增强材料碳纤维14g，添加剂煤焦微粉33g、碳黑7.0g、甲醇8.5g、乌洛托品4.0g和硬脂酸锌4.7g，用粉末混合机搅拌混合均匀得到混合料，混合料用300吨油压机和模具在加热的条件下压制成产品所要求的形状，加热温度为30℃，得到模压产品。将模压产品和加工成粉状的煤沥青22g层层相叠平铺在烧结炉内，升高烧结炉内温度使煤沥青完全熔化，此时温度约为150℃，继续升温至200℃煤沥青转化成蒸汽时，保持温度不变，由高压氮气站向烧结炉内通入氮气加压至7MPa，保持烧结炉内温度
200℃、压强7MPa不变3小时，让煤沥青蒸汽更充分填充到产品的缺陷空隙中。煤沥青的石墨化温度约为800℃，继续升温至1100℃，在烧结炉内压力保持不小于7MPa的状况下自然冷却到室温。把产品放入人工时效炉内，炉内温度为200℃、压强为常压，放置6小时后用超声波清洗机清洗，检验合格后得到初级产品。

[0030] 实施例2，将基体材料石墨5.0g，增强材料碳纤维10g，添加剂煤焦微粉35g、碳黑10g、甲醇9.0g、乌洛托品5.0g和硬脂酸锌6.0g，用粉末混合机搅拌混合均匀得到混合料，混合料用300吨油压机和模具在加热的条件下压制成产品所要求的形状，加热温度为35℃，得到模压产品。将模压产品和加工成粉状的煤沥青20g层层相叠平铺在烧结炉内，升高烧结炉内温度使煤沥青完全熔化，此时温度约为150℃，继续升温至200℃煤沥青转化成蒸汽时，保持温度不变，由高压氮气站向烧结炉内通入氮气加压至7MPa，保持烧结炉内温度
200℃、压强7MPa不变2.5小时，让煤沥青蒸汽更充分填充到产品的缺陷空隙中。煤沥青的石墨化温度约为800℃，继续升温至1000℃，在烧结炉内压力保持不小于7MPa的状况下自然冷却到室温。把产品放入人工时效炉内，炉内温度为200℃、压强为常压，放置6小时后用超声波清洗机清洗，检验合格后得到初级产品。

[0031] 实施例3，将基体材料石墨10g，增强材料碳纤维15g，添加剂煤焦微粉30g、碳黑5.0g、甲醇8.0g、乌洛托品3.0g和硬脂酸锌4.0g，用粉末混合机搅拌混合均匀得到混合料，混合料用300吨油压机和模具在加热的条件下压制成产品所要求的形状，加热温度为
40℃，得到模压产品。将模压产品和加工成粉状的煤沥青25g层层相叠平铺在烧结炉内，升高烧结炉内温度使煤沥青完全熔化，此时温度约为150℃，继续升温至200℃煤沥青转化成蒸汽时，保持温度不变，由高压氮气站向烧结炉内通入氮气加压至7MPa，保持烧结炉内温度
200℃、压强7MPa不变3小时，让煤沥青蒸汽更充分填充到产品的缺陷空隙中。煤沥青的石墨化温度约为800℃，继续升温至1100℃，在烧结炉内压力保持不小于7MPa的状况下自然冷却到室温。把产品放入人工时效炉内，炉内温度为200℃、压强为常压，放置6小时后用超声波清洗机清洗，检验合格后得到初级产品。

[0032] 在常温、常压下分别测量上述实施例得到的产品的肖氏硬度、体积密度、抗折强度、抗压强度和气孔率。

[0033] 经上述方法得到的碳纤维增强碳基复合材料具有高强度、高密度、气孔率低等特点，其物理性能如下表：

[0034] 实施例产品与传统工艺产品物理性能对照表

[0035]性能 实施例1产品 实施例2产品 实施例3产品 传统工艺产品
肖氏硬度 115 110 113 75
体积密度(g/cm3) 1.97 1.90 1.91 1.8
抗折强度(MPa) 107 103 107 57
抗压强度(MPa) 241 238 240 176
气孔率(％) 0.8 1.1 1.0 1.7

[0036] 以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。