自熱法製備炭/炭複合材料實心圓柱體製件的製作方法
2023-09-21 14:13:25
專利名稱：自熱法製備炭/炭複合材料實心圓柱體製件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種炭/炭複合材料實心圓柱體製件，確切地說是利用自熱法熱梯度CVI工藝製備炭/炭複合材料實心圓柱體製件。
背景技術：
炭纖維增強炭基複合材料是優異的熱結構——功能一體化先進複合材料，它綜合了炭材料的高溫性能和複合材料優異的力學性能。炭/炭複合材料是目前唯一可以用於2800℃高溫的複合材料。並且高溫下仍能保持其室溫時的強度，甚至還有所提高。近年來炭/炭複合材料逐漸成為人們研究的熱點，歐美等發達國家已把炭/炭複合材料的研究列入國防關鍵技術計劃。然而，炭/炭複合材料的製備工藝複雜，周期長，成本高，所以世界各發達國家都在研究用快速緻密化工藝來製備炭/炭複合材料，其中熱梯度化學氣相沉積(TCVI)工藝是對傳統等溫化學氣相沉積工藝的改進，其製備周期為等溫化學氣相沉積工藝的1/4～1/5，但目前熱梯度化學氣相沉積(TCVI)工藝還局限於製備環形件和筒形件，而且製件的密度只有1.75g/cm3。對於製備實心的圓柱體零件，現有技術則無能為力。
發明內容
為了克服現有技術不能製備炭/炭複合材料實心圓柱體製件的缺點，本發明提供一種炭/炭複合材料實心圓柱體製件，並可根據需要製備出不同尺寸大小的炭/炭複合材料實心圓柱體製件。
本發明解決其技術問題所採用的方案是一種炭/炭複合材料實心圓柱體製件，其特徵在於採用下述方法製備1)首先用高純石墨加工直徑為30～40mm，高為40～50mm的石墨圓柱體2；2)將直徑為60mm～180mm，高為100mm～800mm的炭氈預製體3經1800℃～2000℃高溫處理1～2小時；3)將由方法1)加工出的兩個石墨圓柱體2分別置於炭氈預製體3的兩端中心處，在石墨圓柱體2外包裹厚15～70mm，高40～50mm的石棉布，並將石墨圓柱體2與炭氈預製體3一起夾持在熱梯度CVI爐的兩電極1之間；4)在炭氈預製體的側壁沿徑向挖一個直徑為10mm，深30mm～90mm的圓孔，用來放置熱電偶。
5)將熱梯度CVI爐抽真空，通入天然氣，流量控制在2～3m3/hr，爐內壓強0.13MPa，炭氈預製體3中心的溫度應在4～5小時內由室溫升至900～1000℃，以徑向0.25～0.30mm/hr的沉積速度沉積100～360小時，當炭氈預製體3的表面溫度達到1050～1100℃時，停止升溫，並以200～250℃/hr的速度將炭氈預製體3表面溫度降至150～200℃，切斷電源，關閉天然氣，隨爐冷卻到室溫。
所述的方法中不使用發熱體，依靠炭氈預製體3的炭纖維直接導電產生的焦耳熱，裂解天然氣，在炭氈預製體3上沉積熱解炭。
本發明相比現有技術的優點在於不使用發熱體，依靠炭氈預製體中炭纖維本身具有導電性的特點，利用熱梯度CVI工藝，就可製備出不同尺寸大小的炭/炭複合材料實心圓柱體製件。所製備的炭/炭複合材料實心圓柱體製件的密度達1.85g/cm3，比現有技術的密度1.75g/cm3提高。採用熱梯度工藝，緻密化時間短。製備方法簡單，成本低。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。
附圖是製備工藝原理示意圖1電極 2石墨圓柱體 3炭氈預製體 4石棉布具體實施方式
實施例1參見附圖。首先用高純石墨加工直徑40mm，高50mm的石墨圓柱體2兩件；將直徑為180mm，高為800mm的炭氈預製體3經2000℃高溫下處理2小時；將石墨圓柱體2分別置於炭氈預製體3的兩端中心處，並將它們一起夾持在熱梯度CVI爐的兩電極1之間；為了克服邊緣效應，在兩個石墨圓柱體2外包裹厚70mm，高50mm的石棉布4，使夾持在電極間的炭氈預製體3溫度均勻；在炭氈預製體3的側壁沿徑向挖一個直徑10mm，深90mm的圓孔，用來放置熱電偶；將熱梯度CVI爐的爐門關好，抽真空，在確保爐體及管道氣密性良好的情況下，通入天然氣，流量為2m3/hr，爐內壓強0.13MPa，炭氈預製體3中心的溫度應在5小時內由室溫升至900℃，然後沿徑向以0.25mm/hr的沉積速度沉積360小時，當炭氈預製體3的表面溫度達到1100℃時，停止升溫，並以200℃/hr的速度將炭氈預製體3的表面溫度降至200℃，切斷電源，關閉天然氣，隨爐冷卻到室溫，即得Φ180mm×800mm，密度達1.85g/cm3的炭/炭複合材料實心圓柱體製件。
實施例2首先用高純石墨加工直徑30mm，高40mm的石墨圓柱體2兩件；將直徑為60mm，高為200mm的炭氈預製體3經1800℃高溫下處理1小時；將石墨圓柱體2分別置於炭氈預製體3的兩端中心處，並將它們一起夾持在熱梯度CVI爐的兩電極1之間；為了克服邊緣效應，在兩個石墨圓柱體2外包裹厚15mm，高40mm的石棉布4，使夾持在電極間的炭氈預製體3溫度均勻；在炭氈預製體3的側壁沿徑向挖一個直徑10mm，深30mm的圓孔，用來放置熱電偶；將熱梯度CVI爐的爐門關好，抽真空，在確保爐體及管道氣密性良好的情況下，通入天然氣，流量為3m3/hr，爐內壓強0.13MPa，炭氈預製體3中心的溫度應在4小時內由室溫升至1000℃，然後沿徑向以0.30mm/hr的沉積速度沉積100小時，當炭氈預製體3的表面溫度達到1050℃時，停止升溫，並以250℃/hr的速度將炭氈預製體3的表面溫度降至150℃，切斷電源，關閉天然氣，隨爐冷卻到室溫，即得Φ60mm×200mm，密度達1.85g/cm3的炭/炭複合材料實心圓柱體製件。
權利要求
1.一種炭/炭複合材料實心圓柱體製件，其特徵在於採用下述方法製備1)首先用高純石墨加工直徑為30～40mm，高為40～50mm的石墨圓柱體2；2)將直徑為60mm～180mm，高為100mm～800mm的炭氈預製體3經1800℃～2000℃高溫處理1～2小時；3)將由方法1)加工出的兩個石墨圓柱體2分別置於炭氈預製體3的兩端中心處，在石墨圓柱體2外包裹厚15～70mm，高40～50mm的石棉布，並將石墨圓柱體2與炭氈預製體3一起夾持在熱梯度CVI爐的兩電極1之間；4)在炭氈預製體的側壁沿徑向挖一個直徑為10mm，深30mm～90mm的圓孔，用來放置熱電偶。5)將熱梯度CVI爐抽真空，通入天然氣，流量控制在2～3m3/hr，爐內壓強0.13MPa，炭氈預製體3中心的溫度應在4～5小時內由室溫升至900～1000℃，以徑向0.25～0.30mm/hr的沉積速度沉積100～360小時，當炭氈預製體3的表面溫度達到1050～1100℃時，停止升溫，並以200～250℃/hr的速度將炭氈預製體3表面溫度降至150～200℃，切斷電源，關閉天然氣，隨爐冷卻到室溫。
2.根據權利要求1所述的炭/炭複合材料實心圓柱體製件，其特徵在於所述的方法中不使用發熱體，依靠炭氈預製體3的炭纖維直接導電產生的焦耳熱，裂解天然氣，在炭氈預製體3上沉積熱解炭。
全文摘要
本發明公開了一種炭/炭複合材料實心圓柱體製件，採用下述方法製備在圓柱形炭氈預製體3的兩端分別放置高純石墨圓柱體2，並將它們一起夾持在熱梯度CVI爐的兩電極1之間，通電加熱裂解天然氣，經100～360小時沉積，可得密度達1.85g/cm
文檔編號C04B35/83GK1583673SQ20041002616
公開日2005年2月23日 申請日期2004年5月25日 優先權日2004年5月25日
發明者李克智, 趙建國, 李賀軍, 張秀蓮 申請人:西北工業大學