一種製備c/c複合材料的工藝及其設備的製作方法

2023-05-12 11:31:51 1

專利名稱：一種製備c/c複合材料的工藝及其設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用溫度梯度壓差化學氣相滲透法(CVI)快速製備炭/炭(C/C)複合材料部件的工藝及其設備。
背景技術：
現有製備C/C複合材料的主要工藝是等溫CVI工藝，該工藝簡單、易操作，可同時對多個大小和形狀不同的預製體進行緻密，且在製備密度和組織結構均勻可控的C/C複合材料方面具有潛力。但是，在採用等溫CVI工藝製備過程中，熱解碳會優先沉積到預製體的表面，使預製體表面孔隙過早封閉，影響其內部增密，通常需要採用低溫、低氣體濃度來降低反應速度和多次機械加工去除表面結殼來打開孔隙，因而製備高密度C/C複合材料的製備周期長達一個月甚至幾個月，製造效率低，成本高。目前，製備C/C複合材料的工藝還有一種溫度梯度CVI工藝，這種溫度梯度CVI工藝是對傳統等溫CVI工藝的改進。在此工藝設備中，預製體內的溫度呈梯度分布，前驅體通過擴散傳質從低溫區到達高溫區發生沉積，熱解沉積區由內側向外側逐步推進，與傳統等溫CVI工藝相比，大大提高了材料密度的均勻性。但材料從前驅體進入預製體內仍主要依賴其擴散作用，氣體傳輸緩慢，材料緻密化速率低。

中國專利00113718. 2公開的限域變溫壓差化學氣相滲透工藝和中國專利200510096306. 2公開的溫度梯度化學氣相滲透快速製備C/C複合材料的方法，都涉及到溫度梯度壓差化學氣相滲透工藝，但它們對設備要求高，工業化難度大。中國專利200310115118. O公開了一種炭剎車盤負壓定向流外溫度梯度化學氣相滲透方法，但該方法僅適用於炭剎車盤的製備而不適用於圓筒形部件的製備，適用範圍小。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是，克服現有技術存在的上述缺陷，提供一種緻密化速率高，製造成本低的炭/炭(C/C)複合材料的製備工藝及其設備。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是
本發明之炭/炭(C/C)複合材料的製備工藝，包括以下步驟
(O預製體預處理將密度為O. 45 O. 8 g/cm3的炭/炭複合材料預製體置於高溫爐中，在1000 2000°C (優選1600 1900°C，更優選1800°C )下進行高溫預處理1. O 5. O小時(優選1. 5 2. 5小時，更優選2. O小時)；
(2)工裝準備根據預製體尺寸大小加工內置發熱體、外工裝、內工裝、帶抽氣孔的蓋板、載料板和料墩，安裝好內熱電偶和外熱電偶，外工裝、內工裝和蓋板採用C/C複合材料或石墨；
(3)裝爐將步驟(2)準備好的內置發熱體、內工裝、步驟(I)預處理後的預製體以及步驟(2)準備好的外工裝按順序依次放入化學氣相沉積爐內由料墩支撐的載料板上，預製體與外工裝間距為5 40mm(優選15_25mm ;更優選20 mm),預製體與內工裝間距為5 40mm(15-25mm ;更優選20 mm),爐內氣管出氣口置於外工裝與預製體構成的區域內，然後將步驟
(2)準備好的設有抽氣孔的蓋板蓋於外工裝上部，步驟(2)準備好的內熱電偶和外熱電偶分別置於外工裝內側和外側；
(4)溫度梯度壓差CVI處理測壓升率合格(200Pa/h)後，開啟真空系統，以50 3000C /hr(優選100-200°C /hr ;更優選150°C /hr)的升溫速度加熱發熱體，使其升溫5 10小時(優選7-9小時，更優選8小時)，當內熱電偶測得預製體內側溫度升至850°C 1200°C(優選1000-1100°C ;更優選1050°C)，當外熱電偶測得預製體外側溫度升至800°C 950°C(優選900°C ),預製體內側和外側的溫度梯度為3 15°C /mm (優選5 12°C /mm);通過置於外工裝與載料板接觸處的氣管向預製體和外工裝構成的區域內送入碳氫氣體和稀釋氣體的混合氣體，並保證混合氣體流量為50 70L/Min (優選60L/Min)，當預製體外側和內側壓力差為I 5KPa (優選2 3 KPa)時，預製體和外工裝構成區域內的氣體經蓋板外側抽氣孔的引導從爐殼抽氣口排出，預製體和內外工裝構成的區域內的氣體經蓋板內側抽氣孔引導從爐殼抽氣口排出；
(5)待100 300小時(優選250 280小時)後，依次停止加熱發熱體、停止輸入混合氣體；
(6)取出蓋板，將外工裝、預製體和內工裝沿接觸面切開取出，即得到密度1.4 1. 7g/cm3的C/C複合材料。進一步，所述碳氫氣體為天然氣、丙烯或丙烷，所述稀釋氣體為氮氣。進一步，所述預製體形狀優選圓筒形。

本發明之製備C/C複合材料使用的設備，包括爐殼，發熱體，預製體，所述爐殼上方設有抽氣口，所述爐殼內壁設有保溫層，所述預製體內外兩側分別設有測量預製體內外兩側溫度的內熱電偶和外熱電偶，在預製體厚度方向形成溫度梯度，還包括內工裝、外工裝和設有抽氣孔的蓋板，所述內工裝置於預製體內側，所述內工裝置於發熱體外側，所述外工裝置於預製體外側，所述蓋板上的抽氣孔設於內工裝外側與預製體內側構成區域的上方，所述蓋板置於所述外工裝、預製體和內工裝上方，所述發熱體、外工裝、預製體和內工裝均置於由料墩支撐的載料板上，所述外工裝與載料板接觸處置有氣管，所述氣管一端與預製體外側和外工裝內側構成的區域連通，另一端穿過保溫層和爐殼壁。進一步，所述蓋板上，外工裝與預製體構成的空間相應的區域內，設有5 15個(優選10個)抽氣孔。進一步，所述預製體為2. 5D炭纖維預製體或3D炭纖維預製體。進一步，所述發熱體、外工裝、內工裝和蓋板均採用C/C複合材料或石墨製成。進一步，所述蓋板上，外工裝與預製體構成的空間相應的區域內抽氣孔的直徑為28 32mm (優選30mm),內工裝外側與預製體構成的空間相應的區域內抽氣孔的直徑為16 20mm (優選 18mm)。本發明之製備C/C複合材料的工藝，操作簡單，緻密化周期短，對設備要求不高，工業化難度小，特別適用於製備圓筒形C/C複合材料，蓋板上的抽氣孔引導設備內氣體從爐殼抽氣口排出，碳氫氣體分子能有效「吹掃」預製體表面，提高緻密化速率，同時能避免無效反應的發生，提高炭收得率，防止真空系統的汙染；本發明之製備C/C複合材料的設備，結構簡單，製造成本低。


圖1為本發明製備C/C複合材料設備實施例的結構示意 圖2為圖1所示實施例蓋板的結構放大示意 圖3為現有蓋板結構示意 圖4為圖1所示實施例外工裝的剖面示意 圖5為圖1所示實施例內工裝的剖面示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。實施例1 :設備實施例
參照附圖，本發明製備C/C複合材料的設備實施例，包括爐殼，發熱體6，預製體3，所述爐殼上方設有抽氣口 8，所述爐殼內壁設有保溫層7，所述預製體3內外兩側分別設有測量預製體3內外兩側溫度的內熱電偶13和外熱電偶12，用於檢測預製體3厚度方向形成的溫度梯度，還包括內工裝5、外工裝4和蓋板9，所述內工裝5置於預製體3內側，所述內工裝5置於發熱體6外側，所述外工裝4置於預製體3外側，所述蓋板9上的抽氣孔10設於內工裝外側與預製體內側構成區域的上方，所述外工裝4、預製體3和內工裝5上方蓋有蓋板9，所述發熱體6、外工裝4、預製體3和內工裝5均置於由料墩I支撐的載料板2上，所述外工裝4與載料板2接觸處置有氣管11，所述氣管11 一端與預製體3外側和外工裝4內側構成的區域連通，另一端穿過保溫層7和爐殼壁。所述蓋板9上， 外工裝4與預製體3構成的空間相應的區域內，設有10個抽氣孔。所述預製體3為2. 炭纖維預製體。所述外工裝4、內工裝5、發熱體6和蓋板9均採用石墨製成。實施例2 :製備工藝實施例①
本發明製備圓筒形C/C複合材料工藝實施例包括以下步驟
(1)預製體3預處理將密度為O.5 g/cm3、尺寸為Φ660mmX Φ600mmX 300mm的圓筒形2. 5D炭纖維預製體3置於高溫爐中，在1800°C下進行高溫預處理2小時；
(2)工裝準備根據預製體3形狀、尺寸大小加工發熱體6、外工裝4、7件預製體3，內工裝5與預製體3構成的空間相應的區域內開有20個直徑為30mm和外工裝4與預製體3構成的空間相應的區域內開有10個直徑為18mm抽氣孔10的蓋板9、載料板2和料墩1，安裝好內熱電偶13和外熱電偶12，外工裝4、內工裝5和蓋板9由石墨製成；
(3)裝爐將步驟(2)準備好的內置發熱體6、內工裝5、步驟(I)預處理後的預製體3以及步驟(2)準備好的外工裝4按順序依次放入化學氣相沉積爐內由料墩I支撐的載料板2上，預製體3與外工裝4間距為15mm，預製體3與內工裝5間距為15mm，爐內氣管11出氣口置於外工裝4與預製體3構成的環形槽內，然後將步驟(2)準備好的帶抽氣孔10蓋板9蓋於外工裝4上部，步驟(2)準備好的內熱電偶13和外熱電偶12分別設於外工裝4內側和外側；
(4)溫度梯度壓差CVI處理測壓升率合格(200Pa/h)後，開啟真空系統，以150°C/hr的升溫速度加熱發熱體6，使其升溫8小時，當內熱電偶13測得預製體3內側溫度升至1050°C，當外熱電偶12測得預製體3外側溫度升至900°C，預製體3內側和外側的溫度梯度為5°C /_，通過置於外工裝與載料板接觸處的氣管向預製體和外工裝構成的區域內送入碳氫氣體和稀釋氣體的混合氣體，並保證混合氣體流量為60L/Min，當預製體外側和內側壓力差為2KPa時，開始沉積，預製體3和外工裝4構成的環形槽內的氣體經蓋板9外側抽氣孔引導從爐殼抽氣口 8排出，預製體3和內工裝5構成的環形槽內的氣體經蓋板9內側抽氣孔引導從爐殼抽氣口8排出；
(5)待250小時後，依次停止加熱發熱體、停止輸入混合氣體；
(6)取出蓋板、外工裝4、預製體3和內工裝5，即得到7個圓筒形密度1.5g/cm3的C/C複合材料。實施例2 :製備工藝實施例②
(1)預製體3預處理將密度為O.4 g/cm3、尺寸為Φ660mmX Φ600mmX 300mm的圓筒形2. 5D炭纖維預製體3置於高溫爐中，在1600°C下進行高溫預處理4小時；
(2)工裝準備根據預製體3形狀、尺寸大小加工發熱體6、外工裝4、7件預製體3，內工裝5與預製體3構成的空間相應的區域內開有20個直徑為30mm和外工裝4與預製體3構成的空間相應的區域內開有10個直徑為18mm抽氣孔10的蓋板9、載料板2和料墩1，安裝好內熱電偶13和外熱電偶12，外工裝4、內工裝5和蓋板9由石墨製成；
(3)裝爐將步驟(2)準備好的內置發熱體6、內工裝5、步驟(I)預處理後的預製體3以及步驟(2)準備好的外工裝4按順序依次放入化學氣相沉積爐內由料墩I支撐的載料板2上，預製體3與外工裝4間距為20mm，預製體3與內工裝5間距為20mm，爐內氣管11出氣口置於外工裝4與預製體3構成的環形槽內，然後將步驟(2)準備好的帶抽氣孔10蓋板9蓋於外工裝4上部，步驟(2)準備好的內熱電偶13和外熱電偶12分別設於外工裝4內側和外側。(4)溫度梯度壓差CVI處理測壓升率合格(200Pa/h)後，開啟真空系統，以2500C /hr的升溫速度加熱發熱體6，使其升溫8小時，當內熱電偶13測得預製體3內側溫度升至1020°C，當外熱電偶12測得預製體3外側溫度升至870°C，預製體3內側和外側的溫度梯度為4°C /_，通過置於外工裝與載料板接觸處的氣管向預製體和外工裝構成的區域內送入碳氫氣體和稀釋氣體的混合氣體，並保證混合氣體流量為68L/Min，當預製體外側和內側壓力差為3KPa時，開始沉積，預製體3和外工裝4構成的環形槽內的氣體經蓋板9外側抽氣孔引導從爐殼抽氣口 8排出，預製體3和內工裝5構成的環形槽內的氣體經蓋板9內側抽氣孔引導從爐殼抽氣口 8排出；
(5)待280小時後，依次停止加熱發熱體、停止輸入混合氣體；
(6)取出蓋板9、外工裝4、預製體3和內工裝5，即得到7個圓筒形密度1.6g/cm3的C/C複合材料。
權利要求
1.一種製備c/C複合材料的工藝，其特徵在於，包括以下步驟 (1)預製體預處理將密度為O.45 O. 8 g/cm3的預製體在1000 2000°C下進行高溫預處理I 5小時； (2)工裝準備根據預製體尺寸大小加工內置發熱體、外工裝、內工裝、帶抽氣孔的蓋板、載料板和料墩，安裝好內熱電偶和外熱電偶，外工裝、內工裝和蓋板採用C/C複合材料或石墨； (3)裝爐將步驟(2)準備好的內置發熱體、內工裝、步驟(I)預處理後的預製體以及步驟(2)準備好的外工裝按順序依次放入設備內由料墩支撐的載料板上，預製體與外工裝間距為5 40mm,預製體與內工裝間距為5 40mm,爐內氣管出氣口置於外工裝與預製體構成的區域內，然後將步驟(2)準備好的帶抽氣孔蓋板蓋於外工裝上部，步驟(2)準備好的內熱電偶和外熱電偶分別設於預製體內側和外側； (4)溫度梯度壓差CVI處理測壓升率合格後(200Pa/h)，開啟真空系統，以50 3000C /hr的升溫速度加熱發熱體，使其升溫5 10小時，當內熱電偶測得預製體內側溫度升至980 1080°C，外熱電偶測得預製體外側溫度升至800 950°C，預製體內側和外側的溫度梯度為3 15°C /mm ;通過置於外工裝與載料板接觸處的氣管向預製體和外工裝構成的區域內送入碳氫氣體和稀釋氣體的混合氣體，並保證混合氣體流量為50-70L/Min，預製體外側和內側壓力差為I 5KPa時，開始沉積；預製體和外工裝構成區域內的氣體經蓋板外側抽氣孔的引導從爐殼抽氣口排出，預製體和內工裝構成的區域內的氣體經蓋板內側抽氣孔引導從爐殼抽氣口排出； (5)待100 300小時後，依次停止加熱發熱體、停止輸入混合氣體； (6)取出蓋板、外工裝、預製體和內工裝，即得到密度1.4 1. 7g/cm3的C/C複合材料。
2.根據權利要求1所述的製備C/C複合材料的工藝，其特徵在於，所述碳氫氣體為天然氣、丙烯或丙烷，所述稀釋氣體為氮氣。
3.根據權利要求1所述的製備C/C複合材料的工藝，其特徵在於，所述步驟(I)中，預製體高溫處理的溫度為1600 1900°C，預處理的時間為1. 5 2. 5小時。
4.根據權利要求1所述的製備C/C複合材料的工藝，其特徵在於，所述步驟(3)中，所述外工裝與預製體間距為15_25mm,內工裝與預製體間距為15_25mm。
5.根據權利要求1所述的製備C/C複合材料的工藝，其特徵在於，所述步驟(4)，測壓升率合格(200Pa/h)後，開啟真空系統，以100-200°C /hr的升溫速度加熱發熱體，使其升溫7-9小時，當內熱電偶測得預製體內側溫度升至1000-1100°C，當外熱電偶測得預製體外側溫度升至900°C，預製體內側和外側的溫度梯度為5 12°C /mm ;通過置於外工裝與載料板接觸處的氣管向預製體和外工裝構成的區域內送入碳氫氣體和稀釋氣體的混合氣體，並保證混合氣體流量為60L/Min，當預製體外側和內側壓力差為2 3 KPa時，預製體和外工裝構成區域內的氣體經蓋板外側抽氣孔的引導從爐殼抽氣口排出，預製體和內外工裝構成的區域內的氣體經蓋板內側抽氣孔引導從爐殼抽氣口排出。
6.一種製備C/C複合材料的設備，包括爐殼，發熱體，預製體，所述爐殼上方設有抽氣口，所述爐殼內壁設有保溫層，其特徵在於，所述預製體內外兩側分別設有測量預製體內外兩側溫度的內熱電偶和外熱電偶，在預製體厚度方向形成溫度梯度，還包括內工裝、外工裝和蓋板，所述內工裝置於預製體內側，所述內工裝置於發熱體外側，所述外工裝置於預製體外側，所述蓋板上的抽氣孔設於內工裝外側與預製體內側構成區域的上方，所述外工裝、預製體和內工裝上方蓋有蓋板，所述發熱體、外工裝、預製體和內工裝均置於由料墩支撐的載料板上，所述外工裝與載料板接觸處置有氣管，所述氣管一端與預製體外側和外工裝內側構成的區域連通，另一端穿過保溫層和爐殼壁連通碳氫氣體和稀釋氣體等混合氣體。
7.根據權利要求6所述的製備C/C複合材料的設備，其特徵在於，所述蓋板上，外工裝與預製體構成的空間相應的區域內設有5 15個抽氣孔。
8.根據權利要求7所述的製備C/C複合材料的設備，其特徵在於，所述抽氣孔的個數10個。
9.據權利要求6所述的製備C/C複合材料的設備，其特徵在於，所述預製體為2.5D炭纖維預製體或3D炭纖維預製體，所述發熱體、外工裝、內工裝和蓋板均採用C/C複合材料或石墨製成。
10.根據權利要求6或7所述的製備C/C複合材料的設備，其特徵在於，所述蓋板上，夕卜工裝與預製體構成的空間相應的區域內抽氣孔的直徑為28 32_，內工裝外側與預製體構成的空間相應的區域內抽氣孔的直徑為16 20mm。
全文摘要
一種製備C/C複合材料的工藝及其設備，本發明之快速製備C/C複合材料的工藝，包括以下步驟(1)預製體預處理；(2)工裝準備；(3)裝爐；(4)溫度梯度壓差CVI處理；(5)待100～300小時後，依次停止加熱發熱體、停止輸入混合氣體；(6)取出蓋板、外工裝、預製體和內工裝，所得C/C複合材料的為密度1.4～1.7g/cm3。本發明還包括製備C/C複合材料的設備，採用本發明操作簡單，緻密化周期短，工業化難度低，緻密化速率高，同時能避免無效反應的發生，提高炭收得率，防止真空系統的汙染。
文檔編號F27B17/00GK103044056SQ20131000809
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月10日 優先權日2013年1月10日
發明者蔣建純, 鄭湘林, 康志衛, 崔金, 黃能武, 姚勇剛, 羅中保 申請人:湖南南方搏雲新材料有限責任公司