一种碳碳发热体快速制备方法与流程-k8凯发

本发明属于碳碳材料制备的，具体为一种碳碳发热体快速制备方法。

背景技术：

1、碳碳发热体是一种以碳纤维为增强体，以碳质材料为基体，通过化学气相沉积(cvi)或液相浸渍(lic)等工艺复合而成的全碳质多相固体材料。碳碳发热体具有低密度、高强度、高导电性、高耐热性、高抗氧化性等优异性能，可将电能转化为热能，广泛应用于航空航天、电子、医疗、冶金等领域。

2、目前，制备碳碳发热体的主要工艺是制坯、cvi、pip、石墨化工艺，即将含有碳源气体和过渡金属或其化合物的混合气体通入碳纤维坯体中，在一定的温度和压力下进行裂解和催化反应，生成不同形态和结构的碳材料，并填充到坯体的孔隙中，使坯体密度达到一定程度，得到碳碳发热体。

3、目前坯体一般为0.45-0.55g/cm3，其纤维含量较多，虽然可以提高发热体的强度，但是因为碳纤维含量较高、针刺含量较少，造成后续工艺碳源沉积不均匀，形成封孔等现象。

4、cvi工艺的优点是可以保持碳纤维的完整性和取向性，提高碳碳发热体的力学性能和导电性能，同时可以控制基体中的过渡金属或其化合物的含量和分布，影响基体中的碳材料的形态和结构，进而影响碳碳发热体的耐热性和抗氧化性。

5、然而，cvi工艺也存在一些问题，主要是制备周期长、生产效率低、成本高、能耗大等。这些问题主要源于cvi工艺中混合气体在坯体内部的扩散和反应速率较慢，导致坯体内部的孔隙难以被充分填充，需要进行多次循环或采用辅助手段才能达到所需的密度。

6、为了解决这些问题，一些新的cvi工艺已经被开发出来，例如热梯度cvi、压差cvi、液相气化渗透(clvi)、强迫流动cvi、脉冲cvi等。这些工艺主要是通过改变温度、压力、气流等条件，加快混合气体在坯体内部的扩散和反应速率，缩短制备周期，提高生产效率。

7、然而，这些新的cvi工艺仍然存在一些不足之处，例如需要复杂的设备和控制系统，容易造成坯体内部的温度和压力不均匀，影响坯体内部的密度和结构均匀性，以及对环境造成污染等。

8、pip工艺，目前常规的树脂浸脂在碳化过程中，由玻璃碳向石墨碳转化，会发生激烈反应，在碳化过程中，树脂要发生50％的体积收缩，稳定的碳纤维在其转变方向伸缩会受到阻碍，引起牵伸取向作用使纤维层间强度降度，影响力学性能。同时树脂难于石墨化，且挥发过程中因为溶剂的存在，在碳化过程中，其挥发气体是不均匀的，造成产品不均匀。

9、因此，如何制备出具有高密度、高强度、高导电性、高耐热性、高抗氧化性等优异性能的碳碳发热体，并且具有简单、快速、低成本、低能耗、环保等特点的工艺，是目前碳碳发热体制备领域的一个重要课题和迫切需求。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种碳碳发热体快速制备方法，本发明工艺简单，该制备方法能够快速、高效、低成本低制备出具有高强度、高导热性、低能耗、高耐热性、高抗氧化性的碳碳发热体。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种碳碳发热体快速制备方法，包括以下步骤：

4、(1)选择合适的碳纤维材料，制备网胎、碳布、碳丝作为碳纤维复合布，然后将碳纤维复合布铺层连续针刺而成得到坯体；

5、(2)将坯体进行cvi处理，即在高温高压下向坯体内部注入含有碳源气体和催化剂的混合气体，该过程是利用催化剂促进碳源气体在坯体表面和内部发生裂解和聚合反应，生成不同形态和结构的碳材料，其化学反应如下：

6、c2h2 fexniycoz→2c fexniycoz h2

7、c2h4 fexniycoz→2c fexniycoz 2h2；

8、c6h6 fexniycoz→6c fexniycoz 3h2

9、(3)将经过cvi处理的坯体进行高温处理，即在1000-2500℃温度下，在真空或惰性气体保护下对坯体进行热处理，时间为10min-5h；

10、(4)将经过高温处理的坯体进行pip处理，即将坯体浸渍于含有沥青或树脂的溶液中，使其充分吸收沥青或树脂，并在真空或惰性气体保护下对坯体进行焙烧，温度为500-1000℃，时间为5-50h；

11、(5)重复进行步骤(3)和(4)，达到所需的密度；

12、(6)将经过pip处理后的坯体进行石墨化，石墨化温度为2200-2800℃，保温时间5-30h，石墨化度＞85％；

13、(7)将经过石墨化处理后的坯体进行机械加工，即按照所需的形状和尺寸对坯体进行切割、打磨、抛光，制得碳碳发热体；

14、(8)将经过机械加工的碳碳发热体进行涂层处理，即在碳碳发热体表面涂覆一层涂层材料。

15、该技术方案利用催化剂的作用，使碳源气体在坯体表面和内部发生裂解和聚合反应，形成均匀分布的碳材料，填充坯体的孔隙，提高坯体的密度和强度；利用聚合物树脂的作用，使坯体进一步增加密度和强度，并提高坯体的导热性和耐热性；利用涂层材料的作用，使碳碳发热体表面具有良好的抗氧化性和耐腐蚀性，延长碳碳发热体的使用寿命。

16、在较佳实施情况下，所述碳纤维材料选自聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、石墨基碳纤维中的一种。不同的碳纤维材料具有不同的结构和性能，如聚丙烯腈基碳纤维具有较高的强度和模量，沥青基碳纤维具有较好的导热性和耐热性，石墨基碳纤维具有较高的结晶度和导电性。通过选择不同的碳纤维材料作为坯体，可以调节坯体的初始结构和性能，为后续的cvi和pip工艺提供良好的基础。

17、在较佳实施情况下，所述步骤(1)中坯体的网胎质量含量28-38份、碳布质量含量54-64份、碳丝质量含量78-88份，整体针刺密度7-15针/cm2，坯体整体密度控制在0.30-0.4g/cm3。通过降低坯体纤维的含量，提高了产品的导热系数(纤维状结构多，导热系数差)，且通过减少纤维量和比例，和控制针刺数量，在保障产品的力学条件下，提高了产品的增重效果，有利于提高产品均匀性。

18、在较佳实施情况下，所述步骤(2)中混合气体包括乙炔、乙烯、苯碳氢化合物和铁、镍、钴过渡金属或其化合物。不同的碳源气体具有不同的裂解温度和反应活性，如乙炔最易裂解，乙烯次之，苯最难裂解；不同的过渡金属或其化合物具有不同的催化作用，如铁、镍、钴等可以促进碳源气体在坯体表面和内部生成纤维状、片层状或球形等不同形态和结构的碳材料。通过选择不同的碳源气体和催化剂组成混合气体，可以控制碳材料的沉积速率和沉积形态。

19、在较佳实施情况下，所述的混合气体的组成比例为：

20、cnhm:fexniycoz＝100:0.1-10

21、其中，n为1-6的整数，m为2-12的偶数，x、y、z为0-10的小数，且小数点后保留两位有效数字。不同含量和比例的过渡金属或其化合物，会影响催化剂的分散性、稳定性、活性和选择性，进而影响碳源气体的裂解和聚合反应的速率和效率，以及生成碳材料的形态和结构。通过选择合适的混合气体组成比例，可以实现催化剂的最佳匹配和最优化。

22、在较佳实施情况下，所述步骤(2)中cvi处理的温度为800-1500℃，压力为0.1-10mpa，时间为30-180min。其温度决定了含碳气体裂解和聚合反应的活化能和动力学常数，从而影响了反应速率和效率，压力决定了含碳气体在坯体内部的分布和浓度梯度，从而影响了反应均匀性和效果，时间决定了含碳气体与催化剂接触和反应的持续时间，从而影响了反应充分性和产物形成。

23、在较佳实施情况下，所述步骤(4)中沥青树脂浓度为10-15％。沥青树脂在高温下会发生裂解和重组反应，形成更稳定和更耐热的碳材料。

24、在较佳实施情况下，所述步骤(5)中的密度为1.6-1.75g/cm3。致密化工艺决定了碳/碳复合材料中基体碳所占的体积比例和分布情况，一般来说，基体碳越充分地填充预制体中的空隙和裂纹，碳/碳复合材料的密度越高。

25、在较佳实施情况下，所述步骤(8)中的涂层材料选自硅化物、硼化物、氮化物中的一种，涂层厚度为10-100μm。涂层材料与碳/碳复合材料基体之间发生界面反应和相互作用，形成具有一定强度和韧性的界面结合区，从而提高涂层与基体之间的粘接力和耐剥离性。

26、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

27、(1)本发明可以快速制备出具有高密度高强度、高导电性、高耐热性、高耐腐蚀性等优异性能的碳碳发热体，有效利用催化剂提高碳源气体的裂解和聚合效率，降低制备成本和能耗，过调节cvi和pip工艺参数控制碳材料的形态和结构，实现对碳碳发热体性能的定向设计，通过涂层处理提高碳碳发热体的抗氧化性能，延长其使用寿命；

28、(2)本发明采用的坯体加工方法制备出具有较高强度、刚度、柔性、可塑性、孔隙率、渗透性等优良性能的坯体，可以保证坯体在cvi和pip处理过程中不发生松散、变形、开裂等现象，提高坯体的质量和一致性，降低了坯体加工的难度和成本，提高坯体加工的效率和灵活性，将碳纤维编织成碳布和网胎，并将其作为复合布的组成部分，增加复合布的孔隙率和渗透性，使其在cvi和pip过程中能够更好地吸收碳源气体和树脂，并在高温处理过程中能够更好地传导电流和热量；

29、(3)本发明利用催化剂提高含碳气体的裂解和聚合反应的速率和效率，缩短制备时间和能耗，在cvi处理中可以实现快速气相沉积，解决了碳碳复合材料发热体工艺过程复杂，耗时耗能，导致成本较高的技术问题。