一種碳碳複合材料加工設備及系統的製作方法

2023-07-05 15:40:41 1

本實用新型涉及碳化和石墨化加工設備領域，具體而言，涉及一種碳碳複合材料加工設備及系統。

背景技術：

碳碳複合材料是碳纖維及其織物增強的碳基體複合材料，其具有高強度、高比模量、高導熱性、低膨脹係數、摩擦性能好，以及抗熱衝擊性能好、尺寸穩定性高等諸多優點，現已廣泛應用於航空航天、汽車工業、醫學等領域。

然而，在碳碳複合材料的加工過程中，一般需要經過多次的滲碳預浸、碳化、石墨化加工過程，這樣使得整個的加工周期變得很長，很不利於異形碳碳複合材料進行快速批量的生產，也不利於企業實現利益的最大化。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種碳碳複合材料加工設備，其能夠縮短碳碳複合材料加工過程中碳化和石墨化的加工周期，實現一次性完成碳碳複合材料的碳化和石墨化加工過程。

本實用新型的另一目在於提供一種碳碳複合材料加工系統，其能夠提高碳碳複合材料的加工效率，尤其是針對異形碳碳複合材料的加工，可實現快速批量的生產，有利於企業實現利益最大化。

本實用新型的實施例是這樣實現的：

一種碳碳複合材料加工設備，其包括低溫碳化裝置和高溫石墨化裝置，低溫碳化裝置和高溫石墨化裝置密封連接，低溫碳化裝置內部設置有低溫碳化室，高溫石墨化裝置內部設置有高溫石墨化室，低溫碳化室和高溫石墨化室相連通，低溫碳化室遠離高溫石墨化室的一端設置有上料裝置，高溫石墨化室遠離低溫碳化室的一端設置有出料裝置。

在本實用新型較佳的實施例中，上述碳碳複合材料加工設備還包括支撐架，低溫碳化裝置和高溫石墨化裝置可拆卸連接於支撐架。

在本實用新型較佳的實施例中，上述設備還包括廢氣回收裝置，廢氣回收裝置連通於低溫碳化室和高溫石墨化室。

在本實用新型較佳的實施例中，上述廢氣回收裝置包括廢氣燃燒室，廢氣燃燒室連通於低溫碳化室和高溫石墨化室。

在本實用新型較佳的實施例中，上述高溫石墨化裝置的內壁設置有石墨加熱管，高溫石墨化裝置的外層設置有用於控制石墨加熱管發熱的感應線圈，石墨加熱管和感應線圈之間設置有保溫層。

在本實用新型較佳的實施例中，上述感應線圈為空心銅管繞制的感應線圈，空心銅管內通循環冷卻水。

在本實用新型較佳的實施例中，上述保溫層為石墨氈或氧化鋁材料製成的保溫層。

在本實用新型較佳的實施例中，上述低溫碳化裝置設置有抽真空裝置，抽真空裝置連通於低溫碳化室。

在本實用新型較佳的實施例中，上述高溫石墨化裝置設置有惰性氣體輸送裝置，惰性氣體輸送裝置連通於高溫石墨化室。

一種碳碳複合材料加工系統，其包括上述的碳碳複合材料加工設備。

本實用新型實施例的有益效果是：通過設置相互密封連接的低溫碳化裝置和高溫石墨化裝置，使得碳碳複合材料的碳化和石墨化過程能夠一次性完成，縮短了碳碳複合材料的整體加工周期，故包括上述碳碳複合材料加工設備的碳碳複合材料加工系統整體上加工效率高，其可主要應用於異形碳碳複合材料結構件的批量加工。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本實用新型的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本實用新型第一實施例提供的碳碳複合材料加工設備的平面結構示意圖；

圖2為本實用新型第二實施例提供的碳碳複合材料加工設備的平面結構示意圖；

圖3為本實用新型第三實施例提供的碳碳複合材料加工設備的平面結構示意圖；

圖4為本實用新型第四實施例提供的碳碳複合材料加工設備的平面結構示意圖。

圖標：100-碳碳複合材料加工設備；200-碳碳複合材料加工設備；300-碳碳複合材料加工設備；400-碳碳複合材料加工設備；120-低溫碳化裝置；121-入口外門；122-低溫碳化室；123-上料置換倉；124-上料裝置；125-入口內門；127-碳化保溫層；128-電阻絲加熱層；130-廢氣回收裝置；132-廢氣燃燒室；140-高溫石墨化裝置；142-高溫石墨化室；144-石墨加熱管；145-保溫層；146-感應線圈；150-出料裝置；152-出料置換倉；154-出料外門；210-支撐架；346-感應線圈；360-抽真空裝置；480-惰性氣體輸送裝置。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本實用新型實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以下對在附圖中提供的本實用新型的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本實用新型的範圍，而是僅僅表示本實用新型的選定實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，術語「中心」、「上」、「下」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，或者是該實用新型產品使用時慣常擺放的方位或位置關係，僅是為了便於描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。此外，術語「第一」、「第二」「第三」等僅用於區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本實用新型的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「設置」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

第一實施例

請參照圖1，本實施例提供一種碳碳複合材料加工設備100，其主要針對異形的碳碳複合材料結構件進行加工，其主要包括低溫碳化裝置120和高溫石墨化裝置140，其中，低溫碳化裝置120是對碳纖維基體和瀝青構成的碳碳複合材料型材進行碳化的主要裝置，其可去除基體材料和增強體材料中所含的氫和氧；高溫石墨化裝置140是對經過碳化處理得到的碳碳複合型材進行進一步的石墨化加工處理，以此使得所得的碳碳複合材料的拉伸模量更高。

進一步地，低溫碳化裝置120和高溫石墨化裝置140密封連接，以使得物料能在兩個裝置裡邊進行連續化加工。其中，低溫碳化裝置120內部設置有低溫碳化室122，該低溫碳化室122是用來容納物料並對物料進行碳化的主要腔室；高溫石墨化裝置140內部設置有高溫石墨化室142，其是對物料進行石墨化的主要腔室。

進一步地，低溫碳化室122遠離高溫石墨化室142的一端設置有上料裝置124。上料裝置124主要負責將碳碳複合材料輸入到低溫碳化室122內，其由內而外依次包括入口外門121、上料置換倉123和入口內門125。需要說明的是，入口外門121和入口內門125均與上料置換倉123為密封連接。

進一步地，在使用上料裝置124時，首先打開入口外門121，將型材碳碳複合預備材料以步進式推舟的方式輸送給上料置換倉123；其次，關閉入口外門121，並在物料停留在上料置換倉123的時間內(此時入口內門125也關閉)，將上料置換倉123內的環境置換成和低溫碳化室122內環境氣氛相同；最後，使用提升裝置將入口內門125打開，並將上料置換倉123內的物料輸送到低溫碳化室122內，關閉入口內門125，對物料進行低溫碳化。需要說明的是，上述上料裝置124為連續的進行，故採用步進式推舟的方式連續進行上料，使得物料的進給有序、高效，提高了碳碳複合材料加工設備100的物料輸送效率。

需要說明的是，物料在低溫碳化室122內進行碳化處理時，由於所需溫度在800-1000℃，故採用電加熱的方式即可實現，因此低溫碳化裝置120從外到內除過外殼以外，還依次包括碳化保溫層127和電阻絲加熱層128。在低溫碳化裝置120正常工作時，電阻絲加熱層128通電發熱，提升低溫碳化室122內的溫度到目標溫度，碳化保溫層127使低溫碳化室122內的能量不擴散到外界，保持其內部溫度的相對恆定。

進一步地，當低溫碳化室122內的物料碳化後，在上料裝置124的作用下，物料以步進式推舟的方式繼續向高溫石墨化室142行進。

進一步地，碳化後的物料進入到高溫石墨化室142內後進行石墨化的溫度為2600-2800℃，故本實施例採用感應加熱的方式進行。具體地，高溫石墨化裝置140的內壁設置有石墨加熱管144，外層設置有用於控制石墨加熱管144發熱的感應線圈146，石墨加熱管144和感應線圈146之間設置有保溫層145。需要說明的是，使用感應線圈146對石墨加熱管144進行加熱可以更好滿足石墨化過程的高溫條件，而且溫度調控靈活，符合碳碳複合材料加工設備100連續化加工的要求。

另外，需要特別說明的是，本實施例的高溫石墨化室142和低溫碳化室122相互連通，加熱系統相互獨立，其既能保證各自溫區相應的溫度需要，又能將高溫區中多餘的熱量傳遞給低溫區進行利用，故整體上提高了能量的利用率，同時也實現了型材碳碳材料的連續化加工。

進一步地，在高溫石墨化裝置140進行正常工作時，感應線圈146通交變電流，位於感應線圈146磁場內部的石墨加熱管144開始發熱，對高溫石墨化室142內的物料進行加熱，物料在2600-2800℃的高溫下逐步石墨化，形成石墨化的碳纖維，其既保持了原來的強度，有具有很強的韌性，從而使得需要製備的碳碳複合材料綜合力學性能得到提高。

進一步地，由於高溫石墨化室142內的工作溫度高達2600-2800℃，故為了將要室內能量的損耗和保持室內溫度的相對恆定，本實施例提供的保溫層145使用隔熱性能極佳的石墨氈或氧化鋁材料製成。需要說明的是，在其它實施例中，保溫層145並不僅限於本實施例提供的石墨氈或氧化鋁中的一種材料製成，也可以是兩者混合製成的保溫層145。

進一步優選地，高溫石墨化室142遠離低溫碳化室122的一端設置有出料裝置150。出料裝置150包括沿物料傳輸方向設置的出料置換倉152和出料外門154。需要說明的是，高溫石墨化室142內的物料在石墨化處理結束後，進入到出料置換倉152內，最終通過出料外門154進行出料。

本實施例提供的碳碳複合材料加工設備100還提供了廢氣回收裝置130，廢氣回收裝置130連通於低溫碳化室122和高溫石墨化室142。需要說明的是，廢氣回收裝置130包括廢氣燃燒室132，且廢氣燃燒室132連通於低溫碳化室122和高溫石墨化室142，當廢氣回收裝置130正常工作時，會將低溫碳化室122和高溫石墨化室142內產生的廢氣收集到廢氣燃燒室132，由於收集的廢氣中有一氧化碳、氫氣和氧氣等可燃性氣體，因此在將其在廢氣燃燒室132進行燃燒，並將燃燒所釋放的熱量再通入到低溫碳化室122和高溫石墨化室142供它們內部的加熱使用。故廢氣回收裝置130的設置與使用進一步提高了碳碳複合材料加工設備100的能量利用率，降低了材料加工的成本，有利於實現利益最大化。

本實施例中的碳碳複合材料加工設備100的工作原理是：在碳碳複合材料加工設備100正常工作時，打開入口外門121，將需要添加的碳碳複合型材以步進式推舟的方式輸入給上料置換倉123，在上料置換倉123內的環境被置換成和低溫碳化室122內環境相同時，打開入口內門125，物料被輸送到低溫碳化室122內；在低溫碳化室122內，通過電加熱的方式對碳碳複合型材進行碳化處理；碳化處理結束後，其被輸送到高溫石墨化室142內進行高溫石墨化處理。最後，經過碳化處理和石墨化處理的碳碳複合型材進入到出料裝置150進行出料。

需要強調的是，本實施例提供的碳碳複合材料加工設備100在正常工作時，物料的碳化和石墨化過程是連續進行的，即低溫碳化裝置120和高溫石墨化裝置140是同時工作的，而且由於是連續化熱加工處理，因此碳碳複合材料加工設備100基本一直保持加熱的工作狀態，不需要像傳統設備一樣需要多次反覆的開啟和關閉，從而去掉了在進行多次開閉時所必須有的預熱階段和降溫階段，這使得碳碳複合材料加工設備100的加工效率大大提高。

本實施例還提供了一種碳碳複合材料加工系統，其包括本實施例提供的碳碳複合材料加工設備100，該系統充分利用了碳碳複合材料加工設備100在進行加工時將碳化和石墨化進行連續化加工的優勢，使得碳碳複合材料的加工效率大幅度提升，有利於企業利益最大化的實現。

第二實施例

請參照圖2，本實施例提供一種碳碳複合材料加工設備200，其與第一實施例的碳碳複合材料加工設備100大致相同，二者的區別在於本實施例的碳碳複合材料加工設備200還包括支撐架210。

進一步地，為了使物料在碳化和石墨化的過程中碳碳複合材料加工設備200能夠一直保持較為穩定的狀態，本實施例通過將低溫碳化裝置120和高溫石墨化裝置140固定連接於支撐架210，使得低溫碳化裝置120和高溫石墨化裝置140能夠穩定的固定在支撐架210上，從而保證了碳碳複合材料加工過程的穩定性。需要說明的是，在其它實施例中，支撐架210不限於固定連接一種方式，還可以採用可拆卸的方式與低溫碳化裝置120和高溫石墨化裝置140進行固定連接。

第三實施例

請參照圖3，本實施例提供一種碳碳複合材料加工設備300，其與第二實施例的碳碳複合材料加工設備200大致相同，二者的區別在於本實施例的碳碳複合材料加工設備300還設置有抽真空裝置360。

進一步地，抽真空裝置360連通於低溫碳化室122和廢氣回收裝置130。需要說明的是，通過設置抽真空裝置360可以使得物料在碳化和石墨化的過程中不被氧化，保證碳碳複合材料加工的質量穩定性；並且將抽真空裝置360與廢氣回收裝置130連通，可以直接在抽真空的時候將廢氣抽出並輸送給廢氣回收裝置130進行處理。

另外，需要強調的是，本實施例提供的碳碳複合材料加工設備300的感應線圈346與第二實施例的也有所不通，本實施例的感應線圈346為空心銅管繞制的感應線圈346，該空心銅管內通有循環冷卻水，這樣設計的目的主要是因為高溫石墨化裝置140在長時間的連續工作下，其感應加熱勢必也會使感應線圈346發熱，如不及時對感應線圈346進行降溫處理，勢必會影響感應線圈346的性能，甚至是損壞感應線圈346，故本實施例通過設置通有循環冷卻水的空心銅管解決了上述問題。

第四實施例

請參照圖4，本實施例提供一種碳碳複合材料加工設備400，其與第三實施例的碳碳複合材料加工設備300大致相同，二者的區別在於本實施例的碳碳複合材料加工設備400還設置有惰性氣體輸送裝置480。

進一步地，在一些碳碳複合材料加工時，需要有氣氛保護才能進行。故本實施例設置惰性氣體輸送裝置480，且連通於高溫石墨化室142。當低溫碳化室122或/和高溫石墨化室142內的物料需要惰性氣體保護時，便可通過惰性氣體輸送裝置480輸送惰性氣體來對物料進行氣氛保護，故惰性氣體輸送裝置480的設置滿足了碳碳複合材料加工過程中物料需要進行氣氛保護的需求。

綜上所述，本實用新型通過設置相互密封連接的低溫碳化裝置和高溫石墨化裝置，使得碳碳複合材料的碳化和石墨化過程能夠連續化的一次性完成，縮短了碳碳複合材料的整體加工周期，故包括上述碳碳複合材料加工設備的碳碳複合材料加工系統整體上提高了加工效率，其可主要應用於異形碳碳複合材料的批量加工。

以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，並不用於限制本實用新型，對於本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。