碳復合材料和制造方法技術

一種用于制造碳復合材料的方法包括：在約350℃至約1200℃的溫度和約500psi至約30,000psi的壓力下，壓縮包括碳和粘結劑的復合材料以形成碳復合材料；其中粘結劑包括非金屬、金屬、金屬的合金、或其組合；其中非金屬選自由以下組成的組：SiO2、Si、B、B2O3、及其組合；以及金屬選自由以下組成的組：鋁、銅、鈦、鎳、鎢、鉻、鐵、錳、鋯、鉿、釩、鈮、鉬、錫、鉍、銻、鉛、鎘、硒、及其組合。

Carbon composite material and manufacturing method

A method for the manufacture of carbon composites: at about 350 DEG C to about 1200 DEG C temperature of about 500PSI to about 30000psi under the pressure of compressed composite materials including carbon and binder to form a carbon composite material; wherein the binder including non metal, metal, metal alloy, or a combination thereof; the non metal selected the group consisting of: SiO2, Si, B, B2O3, and combinations thereof; metal selected from the group consisting of the following: aluminum, copper, titanium, nickel, tungsten, chromium, iron, manganese, zirconium, hafnium, niobium, vanadium, molybdenum, tin, bismuth, antimony, lead, cadmium, selenium, and combination.

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】相關申請的交叉引用本申請要求2014年9月29日提交的美國申請No.14/499397的權益，其以引用的方式全部并入本文。
技術介紹
石墨為碳的同素異形體并且具有層狀平面結構。在每層中，碳原子通過共價鍵布置成六邊形排列或者網狀。然而，不同碳層僅僅通過弱的范德華力保持在一起。由于石墨導熱和導電優異、質輕、摩擦系數低并且耐熱和耐蝕性高，其已經廣泛用于各種應用，包括電子設備、核能、熱金屬加工、涂料、航天等。然而，石墨沒有彈性并且具有低強度，這可能限制其進一步應用。因此，本行業一直接受具有改進的彈性和機械強度的新石墨材料。如果這類材料還具有改進的高溫耐蝕性，那將是更有利的。
技術實現思路
在一個實施例中，一種碳復合材料及其制造方法克服了在本領域中的上述缺陷和其它缺陷。在一個實施例中，一種用于制造碳復合材料的方法包括：在約350℃至約1200℃的溫度和約500psi至約30,000psi的壓力下，壓縮包括碳和粘結劑的復合材料以形成碳復合材料；其中粘結劑包括非金屬、金屬、金屬的合金、或其組合；其中非金屬選自由以下組成的組：SiO2、Si、B、B2O3、及其組合；以及金屬選自由以下組成的組：鋁、銅、鈦、鎳、鎢、鉻、鐵、錳、鋯、鉿、釩、鈮、鉬、錫、鉍、銻、鉛、鎘、硒、及其組合。在另一實施例中，一種用于制造碳復合材料的方法包括：通過對包括碳和粘結劑的復合材料進行加壓形成坯塊；以及對坯塊進行加熱以形成碳復合材料；其中粘結劑包括非金屬、金屬、金屬的合金、或其組合；其中非金屬選自由以下組成的組：SiO2、Si、B、B2O3、及其組合；以及金屬選自由以下組成的組：鋁、銅、鈦、鎳、鎢、鉻、鐵、錳、鋯、鉿、釩、鈮、鉬、錫、鉍、銻、鉛、鎘、硒、及其組合。還公開了一種用于制造包括碳復合材料的片材的方法。該方法包括熱軋包括粘結劑和碳的復合材料；其中粘結劑包括非金屬、金屬、金屬的合金、或其組合；其中非金屬選自由以下組成的組：SiO2、Si、B、B2O3、及其組合；金屬選自由以下組成的組：鋁、銅、鈦、鎳、鎢、鉻、鐵、錳、鋯、鉿、釩、鈮、鉬、錫、鉍、銻、鉛、鎘、硒、及其組合；以及碳選自由以下組成的組：膨脹石墨、可膨脹石墨、天然石墨、合成石墨、及其組合。一種用于包括制造碳復合材料的粒料的方法包括：擠出包括粘結劑和碳的復合材料；其中粘結劑包括非金屬、金屬、金屬的合金、或其組合；其中非金屬選自由以下組成的組：SiO2、Si、B、B2O3、及其組合；金屬選自由以下組成的組：鋁、銅、鈦、鎳、鎢、鉻、鐵、錳、鋯、鉿、釩、鈮、鉬、錫、鉍、銻、鉛、鎘、硒、及其組合；以及碳選自由以下組成的組：膨脹石墨、可膨脹石墨、天然石墨、合成石墨、及其組合。碳復合材料包括：具有在碳微結構中的間隙空間的碳微結構；以及粘結劑，該粘結劑設置在間隙空間中的至少某些間隙空間中；其中碳微結構包括在碳微結構內的未填充空隙。在另一實施例中，碳復合材料包括：至少兩種碳微結構；以及設置在至少兩種碳微結構之間的粘結相；其中粘結相包括粘結劑，該粘結劑包括非金屬、金屬、金屬的合金、或其組合；其中非金屬選自由以下組成的組：SiO2、Si、B、B2O3、及其組合；以及金屬選自由以下組成的組：鋁、銅、鈦、鎳、鎢、鉻、鐵、錳、鋯、鉿、釩、鈮、鉬、錫、鉍、銻、鉛、鎘、硒、及其組合。復合材料可以是條、塊、片、管形、圓柱形坯料、環形體、粉末或者粒料的形式。附圖說明以下說明不應以任何方式視為限制性的。參照所附附圖，相同的元件以相同的方式編號。圖1是在室溫和大氣壓下共混的包含膨脹石墨和微米大小或者納米大小的粘結劑的復合材料的掃描電子顯微鏡(“SEM”)圖像；圖2是根據本公開的一個實施例的在高壓和高溫條件下由膨脹石墨和微米大小或者納米大小的粘結劑形成的碳復合材料的SEM圖像；圖3是根據本公開的另一實施例的碳微結構的SEM圖像；圖4是根據本公開的一個實施例的碳復合材料的示意性圖示；圖5示出了以下的應力-應變曲線：(A)天然石墨；(B)膨脹石墨；(C)膨脹石墨和微米大小或者納米大小的粘結劑的混合物，其中在室溫和高壓下壓制樣品；(D)根據本公開的一個實施例的在高溫和低壓下由膨脹石墨和微米大小或者納米大小的粘結劑壓制的碳復合材料(還稱為“軟復合材料”)；以及(E)根據本公開的另一實施例的在高壓和高溫條件下由膨脹石墨和微米大小和納米大小的粘結劑形成的碳復合材料(還稱為“硬復合材料”)；圖6示出了碳復合材料在不同負載情況下的環路試驗結果；圖7示出了碳復合材料的分別在室溫和500°F下試驗的滯后結果；圖8是碳復合材料在500℃下暴露于空氣25小時之前和在500℃下暴露于空氣25小時之后的比較；圖9A是碳復合材料在熱沖擊之后的照片；圖9B圖示了關于熱沖擊的情況；圖10是碳復合材料樣品(A)在200°F下暴露于自來水20小時之前和(B)在200°F下暴露于自來水20小時之后，或者(C)在200°F下暴露于自來水3天之后的比較；圖11是碳復合材料樣品(A)在200°F下暴露于帶有抑制劑的15％HCl溶液20小時之前和(B)在200°F下暴露于帶有抑制劑的15％HCl溶液20小時之后，或者(C)在200°F下暴露于15％HCl溶液3天之后的比較；以及圖12示出了碳復合材料在600°F下的密封力松弛試驗結果。具體實施方式本專利技術人已發現，與單獨的石墨、由相同石墨但是不同粘結劑所形成的復合材料、或者在大氣壓或者高壓下在室溫下共混的相同石墨和相同粘結劑的混合物相比，在高溫下由石墨和微米大小或者納米大小的粘結劑形成的碳復合材料具有改進的均衡性能。新的碳復合材料具有優異的彈性。另外，碳復合材料在高溫下具有優異的機械性能、耐熱性和耐化學性。在另一個有利特征中，復合材料保持石墨的多個出色性能，諸如導熱、導電、潤滑性等。不希望受限于理論，據信在機械強度方面的改進通過設置在碳微結構之間的粘結相來實現。在碳微結構之間沒有力或者僅僅弱范德華力存在，因此石墨塊材料具有弱機械強度。在高溫下，微米大小和納米大小的粘結劑液化以及/或者軟化，從而使得在碳微結構中均勻分散。當冷卻時，粘結劑固化并且形成粘結相通過機械互鎖使碳納米結構粘結在一起。進一步不希望受限于理論，對于具有改進的機械強度和改進的彈性兩者的復合材料，據信碳微結構自身是在堆疊層之間具有空間的層狀結構。粘結劑僅僅將微結構選擇性地鎖在它們的邊界處而不穿透微結構。因此，在微結構內的無界層提供彈性，并且設置在碳微結構之間的粘結相提供機械強度。碳微結構是在將石墨壓縮為高凝狀態之后所形成的石墨的在顯微鏡下的結構。它們包括沿壓縮方向堆疊在一起的石墨基面。如此處所使用的，碳基面指基本上平坦、平行的碳原子片或者層，其中每片或者每層具有單一原子厚度。石墨基面還稱為碳層。碳微結構通常是平坦并且薄的。它們可以具有不同的形狀，并且還可以稱為微薄片、微盤等。在一個實施例中，碳微結構基本上彼此平行。在碳復合材料中存在兩類空隙-在碳微結構中的空隙或者間隙空間和在每個單獨的碳微結構內的空隙。在碳微結構中的間隙空間具有約0.1微米至約100微米的大小，特別是約1微米至20微米，然而在碳微結構內的空隙更小得多并且通常在約20納米至約1微米之間，特別是約200納米至約1微米。空隙或者間隙空間的形狀不特別限制。如此處所使用的，空隙或者間隙空間的大本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于制造碳復合材料的方法，所述方法包括：在約350℃至約1200℃的溫度和約500psi至約30,000psi的壓力下，壓縮包括碳和粘結劑的復合材料以形成所述碳復合材料；其中所述粘結劑包括以下的一種或者多種：SiO2、Si、B、B2O3、金屬、或者所述金屬的合金；其中所述金屬是以下的一種或者多種：鋁、銅、鈦、鎳、鎢、鉻、鐵、錳、鋯、鉿、釩、鈮、鉬、錫、鉍、銻、鉛、鎘、或者硒。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2014.09.29 US 14/4993971.一種用于制造碳復合材料的方法，所述方法包括：在約350℃至約1200℃的溫度和約500psi至約30,000psi的壓力下，壓縮包括碳和粘結劑的復合材料以形成所述碳復合材料；其中所述粘結劑包括以下的一種或者多種：SiO2、Si、B、B2O3、金屬、或者所述金屬的合金；其中所述金屬是以下的一種或者多種：鋁、銅、鈦、鎳、鎢、鉻、鐵、錳、鋯、鉿、釩、鈮、鉬、錫、鉍、銻、鉛、鎘、或者硒。2.一種用于制造碳復合材料的方法，所述方法包括：通過對包括碳和粘結劑的復合材料進行加壓形成坯塊；以及以及對所述坯塊進行加熱以形成所述碳復合材料；其中所述粘結劑包括以下的一種或者多種：SiO2、Si、B、B2O3、金屬、或者所述金屬的合金；其中所述金屬是以下的一種或者多種：鋁、銅、鈦、鎳、鎢、鉻、鐵、錳、鋯、鉿、釩、鈮、鉬、錫、鉍、銻、鉛、鎘、或者硒。3.根據權利要求2所述的方法，其中形成所述坯塊包括在約500psi至約10ksi的壓力和約20℃至約200℃的溫度下對所述復合材料進行加壓，從而使得所述坯塊的體積相對于所述復合材料的體積為約40％至約80％；以及其中在約350℃至約1200℃的溫度和約500psi至約30,000psi的壓力下進行所述加熱，從而使得所述碳復合材料的體積相對于所述坯塊的體積為約10％至約70％。4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其中所述壓縮或者所述加熱包括：在低于預定最大壓力的第一壓力下并且在低于預定最大溫度的第一溫度下對所述復合材料或者所述坯塊進行加壓；以及在所述預定最大溫度和所述預定最大壓力下對所述復合材料或者所述坯塊進行加壓。5.根據權利要求4所述的方法，其中所述預定最大溫度為所述粘結劑的熔點的約±20℃至約±100℃。6.根據權利要求2所述的方法，其中形成所述坯塊在室溫和約500psi至約30,000psi的壓力下進行；以及其中所述加熱在大氣壓下進行。7.根據權利要求1至6中任一項所述的方法，其中所述復合材料或者所述坯塊通過以下的一種或者多種進...

【專利技術屬性】
技術研發人員：徐志躍，趙磊，
申請(專利權)人：貝克休斯公司，
類型：發明
國別省市：美國;US