電熱法定向滲積製備炭/炭構件的工藝的製作方法

2023-07-17 19:26:11

專利名稱：電熱法定向滲積製備炭/炭構件的工藝的製作方法
技術領域：
本發明提供電熱法定向滲積製備炭/炭構件的工藝，屬於炭/炭複合材料技 術領域。(二)
背景技術：
炭/炭(C/C)複合材料在高溫環境下具有高比強度和比模量，低密度以及 良好的耐燒蝕、熱物理、高溫力學性能，特別是它們在很大的溫度變化範圍內 能夠保持非常合理的摩擦係數，已被成功地用於戰略核武器的飛彈鼻錐、火箭 發動機的噴管喉襯、太空梭的鼻錐和機翼前緣以及飛機剎車盤等軍事、航空 航天領域，但是這種材料因為炭纖維原材料的價格高和製備工藝周期長而導 致成本很高，至今它們在工業與民用等領域還未獲得廣泛應用，因此研發快速 低成本緻密化新技術是目前國際C/C複合材料研究的重大課題之一。在C/C複合材料緻密化方面，目前國內外主要採用樹脂法和化學氣相滲積 (CVI)法。樹脂法一般需要多次循環浸入樹脂或者瀝青然後進行炭化和石墨化，等溫CVI法預製體則需緻密化1000小時以上，這些導致了c/c複合材料製備周期長、成本高，並極大限制了其應用範圍，因而國內外都投入了大量人力物力研究快速緻密化技術，相繼提出了熱梯度CVI、強迫對流熱梯度CVI 、直熱CVI等新工藝，但這些方法由於種種原因,均未在工業中取得大的應用。電熱法(electrified perform heating CVI method,簡稱ECVI)是通過對溫 度、壓力、接觸面積和自由空間體積比等參數的控制，控制氣體的滯留時間, 實現沉積碳自預製體內部向外部的一次性逐層滲積，使碳的滲積速率提高一個 數量級，大大降低緻密化成本。同時結合對熱解碳類型、組織結構、界面的設 計，提高力學性能、摩擦學性能及材質自身抗氧化能力，為C/C複合材料實 際應用(特別是作為飛機剎車盤應用)奠定良好基礎。(三)

發明內容
本發明的目的在於提供一種電熱法定向滲積製備炭/炭構件的工藝，解決現 有技術中c/c複合材料製備周期長、成本高的缺陷，快速製備出具有高力學性 能、良好熱物理性能的c/c複合材料，以降低成本。本發明一種電熱法定向滲積製備炭/炭構件的工藝，其技術方案分為以下幾部分預製體的製備，電熱法CVI沉積爐設計，預製體的緻密化和高溫熱處理; 其工藝流程如圖l所示1. 預製體的製備首先，採用整體針刺氈作為預製體，其結構單元為一層網胎+兩層無緯 布，二層無緯布之間的長纖維採用正交(90°)鋪層，鋪設均勻；鋪層數應不低於15層；無緯布採用T300PAN基炭纖維，其重量佔整體重量的比例為^75%; 網胎也採用T300PAN基炭纖維，其重量比為《5°/。；初始密度為0.5g/cr^左右。 然後，將針刺氈預製體固定在自製的石墨夾具上，在石墨體的凹槽內把預製體 固定。該石墨夾具主要是由石墨體和絕緣體兩大部分組成，底部的兩個獨立的 石墨體與兩個銅電極分別螺接固定，頂部的石墨體由絕緣體固定支撐，如圖2 所示。2. 電熱法CVI沉積爐設計電熱法CVI沉積爐如圖3所示。爐體的底端安裝電絕緣體和兩個銅電極， 爐體的內壁安裝冷卻系統，並設有隔熱層避免爐體外壁溫度過高，爐體上安裝 了可視口，用於觀察爐體內的各種現象，進氣口安裝在爐體的底端，出氣口安 裝在爐體的頂端，預製體固定在由石墨體製成的石墨夾具內，爐體中心處的絕 緣體固定支撐石墨體，絕緣體的中心安裝冷卻系統，熱電耦安裝於預製體表面， 用於測定預製體表面的溫度，熱電耦安裝於預製體中心部分，用於測定預製體 中心部分的溫度。3. 預製體的緻密化和高溫熱處理首先進行抽真空以檢查是否漏氣，然後通入氮氣來淨化爐體，持續通入氮 氣直到爐體內的氣壓達到一個大氣壓；接著將預製體加熱到表面溫度為 700~800°C，同時要持續通入氮氣，氮氣的作用是防止預製體氧化。預製體外 表面的溫度與內部中心部分的溫度利用兩個熱電耦進行測試， 一個固定在預製 體表面，另一個固定在預製體中心部分處。當中心的溫度達到900 110(TC時， 通入天然氣與氮氣的混和氣體。隨著沉積的進行，在表面部分的熱電耦測到的 溫度會慢慢上升，趨近於預製體中心的溫度，但是在整個沉積過程中沉積溫度 仍然保持在900 110(TC，沉積時間80小時，預製體緻密化結束；然後，對經 過緻密化的材料進行高溫熱處理把材料放在真空碳化爐中，在氮氣或氬氣保
護的狀態下，以30~50°C/h的升溫速率，升溫到2000-2500°C，並保溫3~5小時，即得成品。其中，該預製體自身直接被用作發熱體，在沉積爐中作為電源的電極。 其中，在該預製體的兩端加上電流，通過預製體的自身電阻產生熱量。 其中，該石墨夾具主要是由石墨體和絕緣體兩大部分組成，底部的兩個獨立的石墨體與兩個銅電極分別螺接固定，頂部的石墨體由絕緣體固定支撐。 其中，通入天然氣與氮氣的混合氣的流速為35 1/min。 其中，在該抽真空以檢查是否漏氣的步驟中，應保證漏氣的速率小於0.13Pa/min本發明一種電熱法定向滲積製備炭/炭構件的工藝，其優點及功效在於， 炭/炭構件的製備周期長短、成本低，且製備出的炭/炭構件具有高力學性能、 良好熱物理性能。

圖1電熱法定向滲積製備炭/炭構件的工藝流程2自製的石墨夾具示意3電熱法CVI沉積爐示意圖具體標號及符號如下2、絕緣體5、石墨體 8、預製體 11、冷卻系統1、出氣口 4、熱電耦 7、銅電極 10、熱電耦 13、進氣口3、冷卻系統 6、電絕緣體 9、可視口 12、隔熱層°度、°C攝氏度、°C/h攝氏度/小時、 Pa/min巾白/分、1/min 升/分具體實施例方式本發明一種電熱法定向滲積製備炭/炭構件的工藝，其具體實施方式
結合附圖敘述如下1.預製體的製備首先，採用整體針刺氈作為預製體，預製體的尺寸為1100x500x35mw， 炭纖維的體積含量為40%。其結構單元為一層網胎+兩層無諱布，二層無煒
布之間的長纖維採用正交(90°)鋪層，鋪設均勻；鋪層數應不低於15層；無緯布採用T300PAN基炭纖維，其重量佔整體重量的比例為^75%;網胎也採用 T300 PAN基炭纖維，其重量比為￡25%;初始密度為0.5g/cm3左右。然後，將 針剌氈預製體固定在自製的石墨夾具上，在石墨體的凹槽內把預製體固定。該 石墨夾具主要是由石墨體5和絕緣體2兩大部分組成，底部的兩個獨立的石墨 體5是與兩個銅電極7分別螺接固定的，頂部的石墨體是由絕緣體2固定支撐 的，如圖2所示。2. 電熱法CVI沉積爐設計電熱法CVI沉積爐如圖3所示。爐體的底端安裝電絕緣體6和兩個銅電極 7，爐體的內壁安裝冷卻系統ll，並設有隔熱層12避免爐體外壁溫度過高，爐 體上安裝了可視口9，用於觀察爐體內的各種現象，進氣口 13安裝在爐體的底 端，出氣口 l安裝在爐體的頂端，預製體8固定在由石墨體5製成的石墨夾具 內，爐體中心處的絕緣體2固定支撐石墨體5，絕緣體2的中心安裝冷卻系統3， 熱電耦4安裝於預製體表面，用於測定預製體表面的溫度，熱電耦10安裝於預 制體中心部分，用於測定預製體中心部分的溫度。3. 預製體的緻密化電熱法CVI沉積爐如圖3所示，以天然氣作為前驅體，天然氣氣流量為 351/min。實驗的第一步是對沉積設備進行抽真空檢查是否漏氣；要保證漏氣的 速率小於0.13 Pa/min，通入氮氣大約30分鐘來淨化爐體，然後通入氮氣直到爐 體內的氣壓達到一個大氣壓。接著加熱預製體，其外表面的溫度與內部中心部 分的溫度利用兩個熱電耦進行測試， 一個熱電耦固定在預製體表面，另一個固 定在預製體厚度的中心部分處，控制預製體中心溫度為900 110(TC，表面溫度 為700 80(TC，使得溫度梯度為200 30(TC，同時要持續通入氮氣，氮氣的作用 是起到保護作用防止氧化。等到沉積溫度穩定了30分鐘以後，天然氣和氮氣的 混合氣體通入沉積爐內。隨著沉積的進行，在表面部分的熱電耦測到的溫度會 慢慢上升，趨近於預製體中心的溫度，但是在整個沉積過程中沉積溫度仍然保 持在900 110(TC，待沉積時間達到80小時，預製體緻密化結束，然後對經過致 密化的材料進行高溫熱處理把材料放在真空碳化爐中，在氮氣保護的狀態下， 以30'C/h的升溫速率，升溫到250(TC，並保溫3小時，即得成品。
權利要求
1、一種電熱法定向滲積製備炭/炭構件的工藝，其特徵在於其製備工藝為(1)預製體的製備首先，採用整體針刺氈作為預製體，其結構單元為一層網胎+兩層無緯布，二層無緯布之間的長纖維採用正交鋪層，鋪設均勻；鋪層數應不低於15層；無緯布採用T300PAN基炭纖維，其重量佔整體重量的比例為≥75％；網胎也採用T300PAN基炭纖維，其重量比為≤25％；初始密度為0.5g/cm3左右；然後，將針刺氈預製體固定在自製的石墨夾具上，在石墨體的凹槽內把預製體固定；(2)電熱法化學氣相滲積沉積爐設計爐體的底端安裝電絕緣體和兩個銅電極，爐體的內壁安裝冷卻系統，並設有隔熱層避免爐體外壁溫度過高，爐體上安裝可視口，用於觀察爐體內的各種現象，進氣口安裝在爐體的底端，出氣口安裝在爐體的頂端，預製體固定在由石墨體製成的石墨夾具內，爐體中心處的絕緣體固定支撐石墨體，絕緣體的中心安裝冷卻系統，一個熱電耦安裝於預製體表面，用於測定預製體表面的溫度，另一個熱電耦安裝於預製體中心部分，用於測定預製體中心部分的溫度；(3)預製體的緻密化和高溫熱處理首先進行抽真空以檢查是否漏氣，然後通入氮氣來淨化爐體，持續通入氮氣直到爐體內的氣壓達到一個大氣壓；接著將預製體加熱到表面溫度為700～800℃，同時要持續通入氮氣；預製體外表面的溫度與內部中心部分的溫度利用兩個熱電耦進行測試，一個固定在預製體表面，另一個固定在預製體中心部分處；當中心的溫度達到900～1100℃時，通入天然氣與氮氣的混和氣體；隨著沉積的進行，在表面部分的熱電耦測到的溫度會慢慢上升，趨近於預製體中心的溫度；整個沉積過程中沉積溫度保持在900～1100℃，沉積時間80小時，預製體緻密化結束；然後，對經過緻密化的材料進行高溫熱處理把材料放在真空碳化爐中，在氮氣或氬氣保護的狀態下，以30～50℃/h的升溫速率，升溫到2000-2500℃，並保溫3～5小時，即得成品。
2、 根據權利要求l所述的電熱法定向滲積製備炭/炭構件的工藝，其特徵 在於該預製體自身直接被用作發熱體，在沉積爐中作為電源的電極。
3、 根據權利要求1所述的電熱法定向滲積製備炭/炭構件的工藝，其特徵 在於在該預製體的兩端加上電流，通過預製體的自身電阻產生熱量。
4、 根據權利要求1所述的電熱法定向滲積製備炭/炭構件的工藝，其特徵 在於該石墨夾具主要是由石墨體和絕緣體兩大部分組成，底部的兩個獨立的 石墨體與兩個銅電極分別螺接固定，頂部的石墨體由絕緣體固定支撐。
5、 根據權利要求1所述的電熱法定向滲積製備炭/炭構件的工藝，其特徵在於通入天然氣與氮氣的混合氣的流速為35 1/min。
6、 根據權利要求1所述的電熱法定向滲積製備炭/炭構件的工藝，其特徵在於在該抽真空以檢査是否漏氣的步驟中，應保證漏氣的速率小於0.13Pa/min。
全文摘要
本發明涉及一種電熱法定向滲積製備炭/炭構件的工藝，該技術包括三部分內容電熱法CVI沉積爐設計；預製體的製備；預製體的緻密化和高溫熱處理。具體是將預製體自身直接被用作發熱體，在沉積爐中作為電源的電極，在預製體的兩端加上電流，通過預製體的自身電阻產生熱量，使爐室達到反應氣體的熱解溫度以上。
文檔編號C04B35/83GK101157563SQ20071012176
公開日2008年4月9日 申請日期2007年9月13日 優先權日2007年9月13日
發明者強 李, 李進松, 羅瑞盈 申請人:北京航空航天大學