一種高性能炭基複合材料快速定向滲積氣流控制的方法

2023-07-17 19:42:46

專利名稱：一種高性能炭基複合材料快速定向滲積氣流控制的方法
技術領域：
本發明涉及一種高性能炭基複合材料滲積氣流控制技術，特別是涉及一種高 性能炭基複合材料快速定向滲積氣流控制的方法，屬於炭基複合材料技術領域。
(二)
背景技術：
炭基複合材料由於其獨特的力學和熱物理性能，已製作成飛機剎車盤和火箭 發動機噴管等應用於航空航天領域。目前，世界各炭基複合材料生產公司主要採 用天然氣、丙烯、丙垸等作為碳源氣體和氫氣、氮氣等作為稀釋氣體製備炭纖維 增強炭基複合材料。炭基複合材料滲積製備過程中的氣流控制決定著熱解炭的結 構、滲積速率快慢、熱解炭前軀體利用率和滲積過程工藝穩定性等。氣體在滲積 室的擴散不合理容易造成滲積室內炭黑的生成，炭基複合材料密度不均勻，熱解 炭結構不一致，炭基複合材料性能差等結果。氣體在滲積室內的有效混合、預熱 和有序擴散等能夠加快前軀體在預製體內的滲積，獲得均勻結構熱解炭，提高前 驅體利用率，解決目前炭基複合材料製備周期長、熱解炭前軀體利用率低，滲積 過程預製體表面容易結殼且需要多次機械加工去殼等問題。
(三)

發明內容
1、 目的為了克服現有技術在製備炭基複合材料過程中容易表面結殼，沉 積速率慢，產品生產成本高等缺點，本發明提供一種高性能炭基複合材料快速定 向滲積氣流控制的方法，它能有效的使氣體混合、預熱和定向擴散，實現熱解炭 從預製體內部向外部逐漸沉積和在炭纖維表面沉積結構均一熱解炭，提高了滲積 速率和前軀體利用率，有效地避免了在快速定向滲積過程中炭黑的生成。
2、 技術方案-
如圖1所示， 一種高性能炭基複合材料快速定向滲積氣流控制設備，它由氣 體流量控制裝置、氣體混合裝置、氣體預熱裝置以及氣體輸出和滲積爐壓裝置四 部分組成。它們之間的連接、位置關係是氣體流量控制裝置通過管道與氣體混 合裝置上的進氣口相連通；氣體預熱裝置位於氣體混合裝置之上，它們都被放置
3在滲積爐壁之內；氣體輸出和滲積爐壓裝置通過管道與氣體混合裝置上的出氣口 相連通。
所述氣體流量控制裝置，是由氣體闊門、質子流量計、管道組成； 所述氣體混合裝置，是由帶孔石墨圓板、墊片、石墨圓筒、進氣口組成； 所述氣體預熱裝置，是由出氣口、滲積爐壁、加熱石墨套筒、石墨蓋板、石
墨墊片、預製體、石墨導流裝置、通孔、石墨圓板、帶孔石墨圓板組成；
所述氣體輸出和滲積爐壓裝置，是由氣體冷卻裝置、電動執行器、真空泵、
尾氣處理裝置、氣體閥門組成。
本發明一種炭基複合材料快速定向滲積氣流控制方法，該方法具體步驟如下: 步驟一氣體的輸入將預製體按圖l安放在滲積爐內，蓋上石墨蓋板，抽
真空加熱預製件，通過氣體控制閥和質子流量計調節碳源氣體天然氣、丙烷和稀
釋氣體氫氣等多種氣體的流量，以獲得需要的流量和配比； 其中，滲積爐的爐內真空度為一0.1MPa;
步驟二氣體的混合上述碳源氣體天然氣、丙垸和稀釋氣體氫氣等多種氣 體進入石墨導流裝置即導流石墨圓筒，通過氣體混合裝置內的多層帶孔石墨圓板 和墊片，多種氣體混合均勻，可以避免預製體不同位置滲積後的熱解炭結構不一 樣，造成滲積後的炭基複合材料各部分性能不一致；
其中，石墨圓板的厚度為10mm 15mm;
其中，墊片的厚度為15 25mm;
其中，導流石墨圓筒的高度為200mm 300mm。
步驟三氣體的預熱上述碳源氣體天然氣、丙烷和稀釋氣體氫氣等多種氣 體通過預熱裝置，很短的時間內在爐內均溫區預熱。預熱過程可以使上述多種氣 體到達預製件時，溫度達到滲積溫度，提高氣體利用率；
步驟四氣體的輸出和滲積爐壓控制真空泵將上述碳源氣體天然氣、丙垸 和稀釋氣體氫氣等多種氣體抽出，通過電動執行器調節爐壓，已控制滲積爐內壓 力和氣流在滲積爐內停留時間，達到最佳滲積效果。
其中，氣體冷卻裝置安裝在電動執行器之前，電動執行器和氣體閥門平行安裝。
3、優點及功效本發明與現有技術相比具有以下優點
1)多層帶孔石墨板的堆積，工裝簡單，但很好的實現了多種氣體在爐內混合和初步預熱同時進行，節約了能耗。特別是對於氣體大流量快速滲積時，氣體 的混合和初步預熱非常必要。
2) 多種氣體在滲積爐等溫區的預熱，很好的實現了氣流預熱，保證氣流到 達預製件表面時，溫度達到預定的溫度。
3) 通過電動調製器和真空泵可以很好的條件爐內壓力和氣流停留時間，確 保獲得預定結構組織的熱解炭。
4) 本發明技術可以推廣到SiC基體的滲積，適合複雜結構件的快速定向滲 積，氣流流動通暢，不會在滲積爐內形成"死區"，有效抑制炭黑等雜質的生成。


圖1本發明實施設備的結構示意圖
圖中符號說明如下 1—出氣口； 4—石墨蓋板； 7—石墨導流裝置； 10—帶孔石墨圓板； 13—進氣口；
3—加熱石墨套筒； 6—預製體； 9—石墨圓板； 12—石墨圓筒；
15—質子流量計；
2—滲積爐壁； 5—石墨墊片； 8—通孔； ll一墊片； 14一氣體控制閥；
16—氣體流量控制裝置；17—氣體輸出和滲積爐壓裝置；18—氣體混合裝置； 19一氣體預熱裝置；20—氣體冷卻裝置；21—電動執行器；22—真空泵； 23—尾氣處理裝置；24—氣體閥門。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明一種炭基複合材料快速定向滲積氣流控制方法，在快速 定向滲積氣流控制設備中實施，該控制設備由氣體流量控制裝置16，氣體混合 裝置18，氣體預熱裝置19以及氣體輸出和滲積爐壓裝置17四部分組成。它們 之間的連接、位置關係是氣體流量控制裝置16通過管道與氣體混合裝置18 上的進氣口13相連通；氣體預熱裝置19位於氣體混合裝置18之上，它們都被 放置在滲積爐壁2之內；氣體輸出和滲積爐壓裝置17通過管道與氣體混合裝置 18上的出氣口 1相連通。
所述氣體流量控制裝置16，是由氣體閥門14、質子流量計15、管道組成； 所述氣體混合裝置18，是由帶孔石墨圓板IO、墊片ll、石墨圓筒12、進氣
5口 13組成；
所述氣體預熱裝置19，是由出氣口 1、滲積爐壁2 、加熱石墨套筒3、石墨 蓋板4、石墨墊片5 、預製體6、石墨導流裝置7、通孔8、石墨圓板9、帶孔石 墨圓板IO組成；
所述氣體輸出和滲積爐壓裝置17，是由氣體冷卻裝置20、電動執行器21、 真空泵22、尾氣處理裝置23、氣體閥門24組成。
本發明一種炭基複合材料快速定向滲積氣流控制方法，該方法具體步驟如下-步驟一將預製體6按圖1安放在滲積爐內，蓋上石墨蓋板4，抽真空加熱預製 件，當預製件溫度達到需要的溫度時，打開氣體控制閥14，將質子流量計15設 定到指定流量，碳源氣體天然氣、丙烷和稀釋氣體氫氣等多種氣體從進氣口 13 進入滲積爐內。
其中，滲積爐的爐內真空度為一0.1MPa;
步驟二上述碳源氣體天然氣、丙烷和稀釋氣體氫氣等多種氣體進入導流石墨圓
筒12，圓筒12內放置多層帶孔石墨圓板10，帶孔石墨圓板IO之間用墊片11， 墊片11的厚度為20mm，石墨圓板10的厚度為12mm，石墨導流裝置7的高度 為250mm，上述多種氣體在帶孔石墨圓板之間無序流動，實現多種氣體的有效 混合。
步驟三混勻的上述碳源氣體天然氣、丙烷和稀釋氣體氫氣等多種氣體通過預熱 裝置19內的導管流動到等溫區後然後又從通孔8流出，氣流定向流動通過預製 體，在預製體內部沉積。
步驟四關閉氣體輸出和滲積爐壓裝置17內的氣體閥門24，通過電動執行器21 控制爐壓，上述碳源氣體天然氣、丙垸和稀釋氣體氫氣等多種氣體通過真空泵 22抽出，通過尾氣處理裝置17進行後處理後排出。氣體冷卻裝置20安裝在電 動執行器21之前，電動執行器21和氣體閥門24平行安裝。根據滲積進行的不 同階段，通過控制質子流量計15和電動執行器21，調節氣流的流量和滲積爐內 壓力，獲得最快的滲積速率和最佳的熱解炭結構。滲積結束後，打開氣體輸出和 滲積爐壓裝置17內的氣體閥門24，將滲積爐內氣體抽真空降溫。
權利要求
1、一種炭基複合材料快速定向滲積氣流控制方法，該方法具體步驟如下步驟一氣體的輸入將預製體安放在滲積爐內，蓋上石墨蓋板，抽真空加熱預製件，通過氣體控制閥和質子流量計調節碳源氣體天然氣、丙烷和稀釋氣體氫氣這些氣體的流量，以獲得需要的流量和配比；步驟二氣體的混合上述碳源氣體天然氣、丙烷和稀釋氣體氫氣等多種氣體進入石墨導流裝置即導流石墨圓筒，通過氣體混合裝置內的多層帶孔石墨圓板和墊片，多種氣體混合均勻，可以避免預製體不同位置滲積後的熱解炭結構不一樣，造成滲積後的炭基複合材料各部分性能不一致；步驟三氣體的預熱上述碳源氣體天然氣、丙烷和稀釋氣體氫氣混合氣體通過預熱裝置，很短的時間內在爐內均溫區預熱，預熱過程可以使上述這些氣體到達預製件時，溫度達到滲積溫度，提高氣體利用率；步驟四氣體的輸出和滲積爐壓控制真空泵將上述碳源氣體天然氣、丙烷和稀釋氣體氫氣混合氣體抽出，通過電動執行器調節爐壓，以控制滲積爐內壓力和氣流在滲積爐內停留時間，達到最佳滲積效果。
2、 根據權利要求1所述的一種炭基複合材料快速定向滲積氣流控制方法， 其特徵在於步驟一中所述的滲積爐，其爐內真空度為一0.1MPa。
3、 根據權利要求1所述的一種炭基複合材料快速定向滲積氣流控制方法， 其特徵在於步驟二中所述的石墨圓板，其厚度為10mm 15mm。
4、 根據權利要求1所述的一種炭基複合材料快速定向滲積氣流控制方法， 其特徵在於步驟二中所述的墊片，其厚度為15 25mm。
5、 根據權利要求1所述的一種炭基複合材料快速定向滲積氣流控制方法， 其特徵在於步驟二中所述的導流石墨圓筒的高度為200mm 300mm。
6、 根據權利要求1所述的一種炭基複合材料快速定向滲積氣流控制方法， 其特徵在於步驟四中所述的氣體冷卻裝置安裝在電動執行器之前，電動執行器 和氣體閥門平行安裝。
全文摘要
一種炭基複合材料快速定向滲積氣流控制方法，它有四大步驟步驟一氣體的輸入通過氣體控制閥和質子流量計調節碳源氣體天然氣、丙烷、稀釋氣體氫氣等多種氣體流量，以獲得需要的流量和配比；步驟二氣體的混合通過氣體混合裝置內的多層帶孔石墨圓板和墊片，多種氣體混合均勻；步驟三氣體的預熱氣流通過預熱裝置，很短的時間內在爐內均溫區預熱；步驟四氣體的輸出和滲積爐壓控制真空泵將氣流抽出，通過電動執行器調節爐壓，來達到最佳滲積效果。本發明能有效的使氣流混合、預熱和定向擴散，實現熱解炭從預製體內部向外部逐漸沉積，提高了滲積速率和前軀體利用率；它在炭基複合材料技術領域裡具有廣泛地實用價值和應用前景。
文檔編號C04B35/83GK101671188SQ20091009394
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月23日 優先權日2009年9月23日
發明者張雲峰, 李進松, 章勁草, 羅瑞盈, 胡玉潔 申請人:北京航空航天大學