复合材料的制造工艺主要有化学气相沉积法(CVD)、浸渍炭化法(ICT)和热压法(HP)< 1>.这些方法在工艺上已相当成熟,但工艺复杂,设备要求高,生产周期长,加上炭纤维价格较贵,因此复合材料的单位成本极高,这在很大程度上阻碍了复合材料在民用领域的推广使用。通过对原材料的选择和工艺的简化来降低成本,一直是材料学者孜孜以求的目标。其中一个重要的方向就是以炭化收率很高的沥青或由沥青热处理而得的自烧结性焦炭为基质,热压成型后直接炭化、石墨化,无需进行浸渍本文吸取其加快致密化速度简化工艺的思想,研究以PA N-OF代替PAN -CF作为增强纤维,以具有良好自粘结性和自烧结性的生石油焦细粉作为基体材料,不加入粘结剂直接模压成型再原位炭化制备C/ C复合材料的可行性。理由基于三点:1)PAN-OF比PA N-CF要便宜得多。2)作者前期研究工作< 4>表明,选择符合一定指标的生石油焦进行无粘结剂成型和烧结在工艺上完全可行,其宏观性能符合高密高强的要求。这种基体材料如能在不加入粘结剂的情况下进行纤维增强,对于C/ C复合材料简化工艺降低成本显然是一个有价值的课题。3)预氧丝和生焦如能通过原位炭化烧结成致密的整体,其界面将更清洁,化学键合更强,增强效果更好。限于条件所致,作者仅研究了短纤维增强的情况。
实验中分别对湿混和干混两种混和方式进行了研究。采用KF-3型控温捣碎机进行湿混和ODE-280型多功能电动搅拌机进行干混,其优缺点见。无论采用哪种方式,首先必须使纤维束有效分散,前者可以在水、酒精等介质中进行,加入0. 5 %的表面活性剂有助于解除纤维的集束状态;后者是借助机械力分散纤维,对纤维有一定损伤。对于SCFRC材料,纤维长度以不超过10 mm为宜,超过10 mm则会引起混乱和分散困难。
自烧结性能生焦粉和预氧丝的混合料能够顺利进行无粘结剂成型。并不意味着肯定能烧结成一个致密的整体,必须从自烧结的机理出发制定合理的工艺制度。自烧结的机理基于烧结动力学理论,当表面能减少所提供的驱动力大于质点扩散的阻滞力时,坯体就开始收缩而致密化。通常情况下表面能不可能充分有效地驱动致密化,自烧结工艺的关键是要减少质点扩散的阻力,这就得充分利用挥发份在热处理过程中的低温阶段液态性质实现一定程度的液相烧结。在另一方面,在热处理过程中低温阶段以液态形式存在的挥发份润湿纤维和基质的界面< 4>,当烧结引起纤维与基体的收缩速率不一致时可以起到缓冲张力的作用,从而减少微裂纹的产生和崩裂的可能。因此,保证良好自烧结性能必须在烧结过程中抑制挥发份的逸出,传统的常压烧结工艺显然无法满足要求,必须采用加压烧结。在预氧丝和生焦共炭化的过程中,反应和收缩剧烈的阶段应保持较慢的升温速率,使两者化学调整和化学键合顺利进行,并使两者的收缩速率尽可能一致。实验表明,符合的压力制度和升温制度可顺利实现自烧结。
由可见,烧结制品的宏观性能基本达到同类制品水平。石墨化后制品体积密度有所增加,电阻率下降,抗弯强度有所下降,说明制品整体呈难石墨化趋势,这是由于生焦超细研磨后无定形化的结果