塗層碳化矽複合纖維的生產系統的製作方法
2023-06-09 10:03:58 1
本發明屬於基於氣相沉積法及射頻聚焦裝置生產塗層碳化矽纖維的生產系統的進一步完善和補充，將實驗系統通過試生產實踐上升為具有完備生產裝備及技術的塗層化碳化矽複合纖維的生產系統。
背景技術：
碳纖維石墨化的加工工藝，在採用了射頻法加工後取得較大的進展，大大降低了生產工藝中的能耗，提高了質量，降低了成本，從而十分有利於石墨化碳纖維的應用範圍推廣。作為一種具有優秀力學性能的結構材料而言，比起傳統的石墨電路法生產，的確有了長足的進步。新的裝置和工藝並沒有改變傳統法生產出來石墨化碳纖維的力學特性，特別是其在高溫環境下易氧化，而使其力學性能受到嚴重威脅和破壞，在與金屬材料複合時會出現強烈的反應，而使其複合後材料的力學性能下降。
在後續的研究中，申請人提出了採用射頻聚焦加熱裝置實現碳纖維或石墨纖維塗覆耐高溫的碳化矽面層的新技術，並藉助該裝置所形成的高頻線性聚焦電磁場，使在運動中的碳纖維得到加熱，同時在石英管反應器中製造出一個由三氯甲基矽烷和高純氫氣的混合氣氛為反映環境，使三氯甲基矽烷在裂解時產生碳化矽沉積在碳纖維表面形成保護塗層。反應中生成的氯化氫排出反應器被石灰水吸收。這樣隨著碳纖維連續通過聚焦電磁場並被加熱至1100~1300℃，逆向充入的三氯甲基矽烷和高純氫氣就會隨之反應在碳纖維的表面形成碳化矽塗層。塗層碳化矽纖維是以碳纖維或石墨化碳纖維為基礎，在其纖維表面塗覆碳化矽保護塗層。
然而，從處於實驗室研究階段的原理性的射頻加熱反應裝置的模型，轉化為可以實現完整工藝路線的生產系統及工藝方法，又將涉及到更為實際的操作技術問題。除要精確掌握並調控功率匹配、走絲速度、反應溫度及充入反應氣體量外，對走絲速度的穩定、射頻加熱系統的穩定、反應環境的穩定、廢氣處理等問題都提出了更高的要求，這將影響整個生產系統的生產成本、生產系統的連續不間斷生產，避免因為頻繁出現的反應環境、條件及走絲速度不穩定造成成品絲質量不均勻的技術問題。
如何將射頻加熱法塗覆碳化矽連續纖維，由原理模型改進為完整的工藝系統，從而使塗層碳化矽纖維形成批量化生產的產品，已成為本課題迫在眉睫的任務。
技術實現要素：
本發明目的在於對高頻法製備塗層碳化矽纖維原理裝置進行改進設計，以適應批量化生產的需要，以保證主要的工藝指標、如反應溫度、反應氣體濃度及載體絲的精確協調控制，從而解決塗覆碳化矽纖維成品絲控制生產成本和環境的汙染的技術問題。本發明設計關鍵在於針對連續化塗層碳化矽複合纖維高頻聚焦加熱裝置配套自動調控伺服機構和保障系統及工藝，力求實現量產和纖維加工的精確控制，並同時實現與世界環保節能要求的接軌。
本發明為實現發明目的採用的技術方案是：
塗層碳化矽複合纖維的生產系統，系統組成中包括配套有射頻電源（1）的線性聚焦裝置、設置在線性聚焦裝置中軸線位置的石英管反應器（2）、收、放絲機構、反應環境氣氛保障和處理裝置以及與以上結構配套的在線監測和管理電路，所述收、放絲機構中均包括收、放絲輪盤（5-1、5-2）、阻尼張緊輪組結構，以及配套的穩速導引動力驅動機構，載體絲藉助兩個具有穩定差速的穩速導引動力驅動機構的牽伸具有恆定牽伸力。
進一步的，所述穩速導引動力驅動機構的結構中包括步進電機（5-3）和與管理電路連接的受控脈衝信號發生器（5-4）。
更進一步的，反應環境氣氛保障和處理裝置結構中包括：
1）連接在石英管反應器（2）的反應氣體進氣口（2-1）上的配氣總成，
2）連接在石英管反應器（2）的出氣口（2-2）上的回收處理總成。
更進一步的，所述配氣總成的組成中包括：帶有至少兩個反應氣體進氣口和一個出氣口的配氣櫃（3），上述進氣口、出氣口分別藉助管路與各自反應氣體氣源或石英管反應器（2）的進氣口（2-1）連接，所述管路中串聯設置可控調節閥（2-5）和質量流量計（2-6），配氣櫃（3）上設置壓力傳感器（3-1）。
更進一步的，所述配氣櫃（3）上還設有回收氣體注入口，連接在石英管反應器（2）的出氣口（2-2）上的回收處理總成的設備中包括：冷卻分流裝置（4-1）、分別連接在冷卻分流裝置（4-1）的分流口上的水洗吸收罐（4-2）和加熱分流罐（4-3），回收的氫氣和三氯甲基矽烷分別經中間存儲櫃（4-4）的吸附去雜、升溫加壓後連通到配氣櫃（3）的回收氣體注入口。
本發明的關鍵是將生產塗層碳化矽複合纖維的設備由原理模型改進為完整的工藝路線，既要考慮提高生產效率，產品質量，節約經濟成本，同時也要考慮環保及能耗的問題，而將要實現這些技術效果的技術手段進行有機的結合併非那麼容易。
首先，本發明考慮的是如何通過塗覆碳化矽塗層進一步提高碳纖維的力學性能，為解決這一技術問題，本發明採用拉伸前進中的碳纖維，使其微觀結構中雜亂無章的碳原子進行定向有序的排列，在沉積碳化矽層的過程中，形成塗覆有碳化矽塗層的高模碳纖維，進一步提升了成品絲的品質。
其次，本發明為提高生產效率，在系統中設置的反映環境氣氛保障和處理裝置，包括反應環境氣氛的調控、載體絲線速度調控及反應溫度的調控，三者之間藉助配套管理電路協調控制，極大的提高了生產效率，使得生產線故障率大大降低。
尾氣的回收提純及再利用，是為了達到世界標準的環保要求，同時也能極大程度上降低經濟成本。在石英管熱反應器中，三氯甲基矽烷與氫氣發生裂解反應及不完全反應的氣體可能會佔到百分之四十及以上，若不能將尾氣回收，其產生的氯化氫氣體洩露將會危及整個生產線工人的生命，同時未反應的三氯甲基矽烷也會浪費，為企業造成極大的經濟損失。同時尾氣的回收處理管路設計，也在一定程度上對反應器中氣體壓力的易調控起到了積極的作用。
本發明的有益效果是：（1）通過反應環境氣氛保障和處理裝置的設計，實現了反應氣體濃度的精確調控以及達到環保要求，節約經濟成本；（2）通過設置二級氣堵密封裝置，保證了反應環境的安全及潔淨，同時實現了氬氣這種昂貴氣體的回收或回收再利用；（3）通過在收放絲端設置具有差速調節功能的步進電機及脈衝控制器，實現了載體絲的恆力差速精細牽伸調控；（4）通過在射頻電源的結構中配套自動功率調整裝置，以及在左、右共軛諧振腔上設置可調整滑軌支座，以及設置雷射測溫儀，實現了反應溫度的精確調控。
下面結合附圖對本發明進行詳細說明。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖（圖1由圖1a和圖1b組成）。
圖2是本發明中四通二級封堵裝置與收放絲機構及石英管反應器的連接示意圖。
附圖中，1代表射頻電源，1-1代表自動功率調整裝置，1-2、1-3代表左、右共軛諧振腔，1-4、1-5代表可調整滑軌支座，2代表石英管反應器，2-1代表反應氣體進氣口，2-2代表出氣口，2-3-1代表反應氣腔，2-3-2代表密封氣腔，2-4代表四通二級封堵裝置，2-5代表可控調節閥，2-6代表質量流量計，3代表配氣櫃，3-1代表壓力傳感器， 4-1代表冷卻分流裝置，4-2代表水洗吸收罐，4-3代表加熱分流罐，4-4代表中間存儲櫃， 5-1、5-2代表收、放絲輪盤，5-3代表步進電機，5-4代表受控脈衝信號發生器，6代表雷射測溫儀，附圖中，①代表回收的氬氣去向。
具體實施方式
參看圖1，塗層碳化矽複合纖維的生產系統，系統組成中包括配套有射頻電源1的線性聚焦裝置、設置在線性聚焦裝置中軸線位置的石英管反應器2、收、放絲機構、反應環境氣氛保障和處理裝置以及與以上結構配套的在線監測和管理電路，所述收、放絲機構中均包括收、放絲輪盤5-1、5-2、阻尼張緊輪組結構，以及配套的穩速導引動力驅動機構，載體絲藉助兩個具有穩定差速的穩速導引動力驅動機構的牽伸具有恆定牽伸力。
所述穩速導引動力驅動機構的結構中包括步進電機5-3和與管理電路連接的受控脈衝信號發生器5-4。3、根據權利要求1所述的塗層碳化矽複合纖維的生產系統，其特徵在於：反應環境氣氛保障和處理裝置結構中包括：
1）連接在石英管反應器2的反應氣體進氣口2-1上的配氣總成，
2）連接在石英管反應器2的出氣口2-2上的回收處理總成。
所述配氣總成的組成中包括：帶有至少兩個反應氣體進氣口和一個出氣口的配氣櫃3，上述進氣口、出氣口分別藉助管路與各自反應氣體氣源或石英管反應器2的進氣口2-1連接，所述管路中串聯設置可控調節閥2-5和質量流量計2-6，配氣櫃3上設置壓力傳感器3-1。
所述配氣櫃3上還設有回收氣體注入口，連接在石英管反應器2的出氣口2-2上的回收處理總成的設備中包括：冷卻分流裝置4-1、分別連接在冷卻分流裝置4-1的分流口上的水洗吸收罐4-2和加熱分流罐4-3，回收的氫氣和三氯甲基矽烷分別經中間存儲櫃4-4的吸附去雜、升溫加壓後連通到配氣櫃3的回收氣體注入口。
本發明的關鍵是將生產塗層碳化矽纖維的設備由原理模型改進為完整的工藝路線，既要考慮提高生產效率，產品質量，節約經濟成本，同時也要考慮環保及能耗的問題，而將要實現這些技術效果的技術手段進行有機的結合併非那麼容易。
首先，本發明考慮的是如何通過塗覆碳化矽塗層進一步提高碳纖維的力學性能，為解決這一技術問題，本發明採用拉伸前進中的碳纖維，使其微觀結構中雜亂無章的碳原子進行定向有序的排列，在沉積碳化矽層的過程中，形成塗覆有碳化矽塗層的高模碳纖維，進一步提升了成品絲的品質。
其次，本發明為提高生產效率，在系統中設置的反映環境氣氛保障和處理裝置，包括反應環境氣氛的調控、載體絲線速度調控及反應溫度的調控，三者之間藉助配套管理電路協調控制，極大的提高了生產效率，使得生產線故障率大大降低。
尾氣的回收提純及再利用，是為了達到世界標準的環保要求，同時也能極大程度上降低經濟成本。在石英管熱反應器中，三氯甲基矽烷與氫氣發生裂解反應及不完全反應的氣體可能會佔到百分之四十及以上，若不能將尾氣回收，其產生的氯化氫氣體洩露將會危及整個生產線工人的生命，同時未反應的三氯甲基矽烷也會浪費，為企業造成極大的經濟損失。同時尾氣的回收處理管路設計，也在一定程度上對反應器中氣體壓力的易調控起到了積極的作用。
石英管反應器2的反應腔兩端均設有雙分壓阻流密封結構：分別包括由兩個相互連通的三通氣室形成的雙聯氣腔，所述雙聯氣腔的一出氣口與石英管反應器2的反應腔進氣口連通，另一出氣口與石英管反應器2的進、出絲孔連通，且雙聯氣腔中與反應腔進氣口直接連通的是連接配氣總成的反應氣腔2-3-1、與進、出絲孔連通直接連通的是連接密封氬氣源的密封氣腔2-3-2，氬氣由進氣口引入密封氣腔、由進、出絲孔排出、形成內部正壓動態紊流式密封氣堵。
石英管反應器2的進、出絲孔端與收、放絲兩機構之間分別設置了一個四通二級封堵裝置2-4，石英管反應器2的兩端藉助研磨加工成的磨砂錐形頭與上述四通二級封堵裝置2-4實現密封對接，高純氫氣從進氣口引入、從回收口引出、形成內部正壓動態紊流式密封結構。
本發明其中一個關鍵是，在石英管反應器的進、出絲口埠內外分別設有雙分壓阻流密封結構及四通二級封堵裝置。雙分壓阻流密封結構採用兩個相互連通的三通氣室，與反應器連接的第一三通氣室中通入參加反應的三氯甲基矽烷與氫氣的混合氣體，與進出絲口端連通的第二三通氣室中通入保護氬氣，同時保證兩個三通氣室相互連通的埠處氣壓，第一三通氣室即反應氣腔略大於第二三通氣室即密封氣腔。由於氬氣價格昂貴，若能減少由進、出絲出口端洩露的氬氣，也會一定程度上節約生產成本，因此，在反應器的進出絲口端與收放絲機構之間分別增設了一個四通二級封堵裝置，參看圖2，通過由四通二級封堵裝置的進氣口通入氫氣，且使與密封氣腔連通的埠處氣壓略小於密封氣腔，將氬氣進行二次封堵，減少了氬氣的洩露，達到了二級密封的目的。
射頻電源1的結構中配套有自動功率調整裝置1-1，線性聚焦裝置的結構中包括對稱設置在可調整滑軌支座1-4、1-5上的左、右共軛諧振腔1-2、1-3，左、右共軛諧振腔1-2、1-3中設置水冷套結構。
所述系統中還包括掃描石英管反應器2內部溫度的雷射測溫儀6，雷射測溫儀6的信號反饋端與在線監測和管理電路連接。
塗層碳化矽纖維的生產系統，系統組成中包括配套有射頻電源1的線性聚焦裝置、設置在線性聚焦裝置中軸線位置的石英管反應器2、收、放絲機構、反應環境氣氛保障和處理裝置以及與以上結構配套的在線監測和管理電路，所述收、放絲機構中均包括收、放絲輪盤5-1、5-2、阻尼張緊輪組結構，以及配套的穩速導引動力驅動機構，且兩個穩速導引動力驅動機構形成差速精細恆力牽伸調節。
所述穩速導引動力驅動機構的結構中包括步進電機5-3和與管理電路連接的受控脈衝信號發生器5-4。
所述反應環境氣氛保障和處理裝置結構中包括：
1）連接在石英管反應器2的進氣口2-1上的配氣總成，
2）連接在石英管反應器2的出氣口2-2上的回收處理總成。
更進一步的，1）配氣總成的組成中包括：帶有至少兩個進氣口和一個出氣口的配氣櫃3，上述進氣口、出氣口分別藉助管路與氣源或石英管反應器2的進氣口2-1連接，所述管路中串聯設置可控調節閥2-5和質量流量計2-6，配氣櫃3上設置壓力傳感器3-1；
2）連接在石英管反應器2的出氣口2-2上的回收處理總成中的設備包括：冷卻分流裝置4-1、分別連接在冷卻分流裝置4-1的分流口上的水洗吸收罐4-2和加熱分流罐4-3，回收的氫氣和三氯甲基矽烷分別經中間存儲櫃4-4的吸附去雜、升溫加壓後連通到配氣櫃3的回收氣體注入口。
更進一步的，石英管反應器2的反應腔兩端均設有雙分壓阻流密封結構：分別包括兩個相互連通的三通氣室2-3，其中一個三通氣室的進氣口與石英管反應器2的進氣口2-1連通，另一出氣口與反應腔連通，另一個三通氣室的進氣口及另一出氣口分別與密封氬氣源及石英管反應器2的進、出絲孔連通，氬氣由進氣口引入三通氣室、由進、出絲孔排出、形成內部正壓動態紊流式密封氣堵。
更進一步的，石英管反應器2的進、出絲孔端與收、放絲兩機構之間分別設置了一個四通二級封堵裝置2-4，石英管反應器2的兩端藉助研磨加工成的磨砂錐形頭與上述四通二級封堵裝置2-4實現密封對接，高純氫氣從進氣口引入、從回收口引出、形成內部正壓動態紊流式密封結構。
本發明其中一個關鍵是，在石英管反應器的進出絲口端均設置雙分壓阻流密封結構和四通二級封堵裝置。雙分壓阻流密封結構採用兩個相互連通的三通氣室，與反應器連接的第一三通氣室中通入參加反應的三氯甲基矽烷與氫氣的混合氣體，與進出絲口端連通的第二三通氣室中通入保護氬氣，同時保證第一三通氣室與第二三通氣室的連通的接口處氣壓略大於第二三通氣室接口處氣壓，使得空氣及氬氣幾乎不會進入反應腔中。由於氬氣價格昂貴，若能減少由近絲出口端洩露的氬氣，也會一定程度上節約生產成本，因此，在反應器的進出絲口端與收放絲機構之間增設了四通二級封堵裝置，通過通入氫氣減少了氬氣的洩露，達到了二級密封的目的，由排氣口排出的氫氣和氬氣的混合氣體可通過氬氣淨化機返回原生產系統。
更進一步的，射頻電源1的結構中配套有自動功率調整裝置1-1，線性聚焦裝置的結構中包括對稱設置在可調整滑軌支座1-4、1-5上的左、右共軛諧振腔1-2、1-3，左、右共軛諧振腔1-2、1-3中設置水冷套結構。
更進一步的，所述系統中還包括掃描石英管反應器2內部溫度的雷射測溫儀6，雷射測溫儀6的信號反饋端與在線監測和管理電路連接。
射頻電源中的射頻發生器的結構中增補了自動功率控制裝置，可改善由於外電波動和射頻迴路系統元器件參數微小變化而導致石英熱反應器內溫度的變化，從而可保證纖維性能的穩定。此裝置從定向耦合器中取出一信號，通過自動功率控制系統輸出一信號用以控制推動電路的激勵信號，用以控制功放電路的輸出信號，可使功放電路保持一個穩定的功率輸出。
為得到有效電路匹配及有效地消除端熱效應，在耦合腔兩端安裝了用坡莫合金材料製備的雙筒形耦合屏蔽裝置。內外管長均120mm，內管直接套在石英熱反應器上，內管與耦合腔內導體用聚四氟環隔離，外管用銅螺釘直接固定在耦合腔的外導體上以有效的消除端熱反應。
本發明改善了收放絲機構增補了帶阻尼輪的阻尼裝置，改進了系統導向輪，從而降低了碳化矽纖維運行中的摩擦，可使碳纖維毛絲減少。
在射頻電源1中的高頻發生器的輸出端和射頻匹配器輸入端增補了自動功率控制裝置，給實現碳纖維表面塗覆碳化矽提供了一個高性能高穩定的高頻加熱熱源，不僅提高了碳化矽纖維的本身性能，進而又提高了塗覆碳化矽的纖維性能。
本發明在左右共軛諧振腔中增補了內導電管的水冷卻系統水冷腔，從而可使高頻加熱系統能連續運行，克服了原來內導電管在高頻發生器運行情況下只能連續運行一小時因內導電管過熱被迫停機，加入了冷卻系統後可連續運行，克服了斷續加熱的弊端。
按以上設計構思製成的裝置，以碳纖維為例說明。反應前先通過控制管路上的閥門和流量計在反應器中充入反應氣體，驅趕出反應器中的雜質氣體，設置在冷卻分流裝置4-1的前置管路中的氣體質量分析儀檢測到管路中不存在雜質氣體時，由氬氣入口通入高純氬氣，保證兩個三通氣室相互連通的埠處氣壓，反應氣腔略大於密封氣腔，避免反應氣體洩漏到反應器外，並且使兩個氣室中的氣壓達到動態平衡。啟動射頻加熱裝置，並經雷射掃描儀檢測到沿反應器軸向各個區段溫度都達到標準要求時，持續牽引碳纖維以一定的牽伸力向前運動，碳纖維在反應器中被拉伸後均勻沉積一層碳化矽保護塗層形成塗層碳化矽複合纖維。
反應器中部設有排氣口，由排氣口持續排出的氣體中有大部分是三氯甲基矽烷和氫氣，其餘為副產物和氯化氫等，在回收管路中設置冷卻分流裝置4-1，由排氣口排出的混合氣體經冷卻分流裝置4-1後，三氯甲基矽烷和副產物被冷卻為液態輸送至加熱分流罐4-3，而氫氣和氯化氫通過水洗吸收罐4-2後，氯化氫被水或石灰水吸收，氫氣則被儲存至中間存儲櫃4-4，或被再利用或作其他用途，在本發明中，氫氣可根據工藝需要返回原系統再利用，即通過配氣柜上的回收氣體注入口進入原生產系統。由加熱分流罐4-3出來的氣態物質為三氯甲基矽烷，並被存儲至中間存儲櫃，或被再利用返回原系統或作其他用途，在本發明中，三氯甲基矽烷可根據工藝需要返回原系統再利用，即通過配氣柜上的回收氣體注入口進入原生產系統。
在石英管反應器與反應氣源之間增設配氣櫃3和可控調節閥及氣體質量流量計，可保證氫氣和三氯甲基矽烷以合理的比例注入石英管反應器，同時可以根據氣體質量流量計的反饋及氣體分析儀的反饋，實時在線調節可控調節閥的開合度，從而可以精確控制和調整反應器內氣壓及氣體濃度。
通過上述系統設計可以實現碳纖維表面形成緻密、牢固的碳化矽複合層，從而大大提高了碳纖維應用中抗高溫氧化能力，同時使得複合後碳纖維具備高模碳纖維的特性。並且設置尾氣回收再利用系統，與世界環保要求接軌。
綜上所述，本發明的有益效果是：（1）通過反應環境氣氛保障和處理裝置的設計，實現了反應氣體濃度的精確調控以及達到環保要求，節約經濟成本；（2）通過設置二級氣堵密封裝置，保證了反應環境的安全及潔淨，同時實現了氬氣這種昂貴氣體的回收或回收再利用；（3）通過在收放絲端設置具有差速調節功能的步進電機及脈衝控制器，實現了載體絲的恆力差速精細牽伸調控；（4）通過在射頻電源的結構中配套自動功率調整裝置，以及在左、右共軛諧振腔上設置可調整滑軌支座，以及設置雷射測溫儀，實現了反應溫度的精確調控。