製造熱絕緣體的方法
2023-10-05 07:53:54 1
製造熱絕緣體的方法
【專利摘要】在由包含碳化纖維和/或石墨化纖維的材料製造熱絕緣體的方法中，提供了由包含碳化纖維和/或石墨化纖維的材料製成的片狀模製件，其中，所述模製件包含至少一個第一彎曲部分和至少一個第二彎曲部分，並且其中，所述第一部分和所述第二部分具有就至少一個空間方向而言相反的曲率。通過將模製件分割而將第一彎曲部分與第二彎曲部分分離，以得到至少一個單獨的第一彎曲部分和至少一個單獨的第二彎曲部分。將該單獨的部分連接以形成熱絕緣體，使得所述熱絕緣體具有相對於所述空間方向以一致的方式連續的曲率。
【專利說明】製造熱絕緣體的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及由包含碳化纖維和/或石墨化纖維的材料尤其由包含碳化纖維和/或石墨化纖維的毛氈製造熱絕緣體的方法。
【背景技術】
[0002]碳毛氈製成的熱絕緣體用在例如生產矽單晶的高溫系統中。這種類型的高溫工藝在惰性氣氛中在例如超過800°C的溫度下發生，這種類型的高溫工藝對使用的絕緣材料具有高的熱和機械要求。絕緣體通常由碳化的毛氈以及一些情況下石墨化的毛氈製成，該絕緣體用作例如高溫火爐的內室的襯裡並且因此將加熱室與冷卻的外壁隔開。單件的熱絕緣體的製造可以例如通過將未硬化的、用樹脂浸潰的毛氈層纏繞在心軸上並且然後將該毛氈材料硬化而發生，與之相比，由多個單件製造熱絕緣體提供了如下優點:較低程度的原材料廢棄和對毛氈材料的更加有效的高溫後處理。
[0003]EP1852252B1公開了製造耐高溫的絕緣體的方法，其中，尤其是，多個彎曲的部分被組裝以形成中空圓筒形的部件，所述彎曲的部分由基於石墨膨脹體(expandate)的材料製成，該材料被壓縮至在0.02和0.3g/cm3之間的密度。在這種情況下,單個部分的結合通過碳化的粘合劑來確保，該碳化的粘合劑包含平面的各向異性的石墨粒子。在中空圓筒形絕緣體的內表面上也布置了石墨膜。
[0004]W02011/106580A2公開了用於反應器的絕緣體，該絕緣體由碳纖維材料製造，並且由多個板狀的單獨的部件組裝而成。所述單獨的部件可以使用另外的連接元件藉助於舌榫連接的方式進行聯接。
[0005]由多個單獨的部分組裝成的熱絕緣體具有的問題是通常存在相對高水平的原料浪費。這尤其當必須由平坦的板製造彎曲的部件時發生，例如在近淨成形(near-net-shape)中製造的圓筒形絕緣體也是這樣的情況。此外，由基於碳的毛租製成的熱絕緣體必須經受高溫處理以將初始的產品進行碳化和石墨化。具有多個單個部分時，該高溫處理通常是低效的，因為將大量的單個部分放到對應的火爐中是費時的，並且通常需要藉助於裝載輔助裝置，這意味著火爐只能以相對低的填裝速率被裝載。尤其在不規則形狀的、尖銳彎曲的或甚至中空圓筒形部分的情況下，在加熱室中製造出不想要的高的死體積。此外，多個不同形狀的單獨的部分的例如通過熱壓制的成形與要提供的壓模的數目引起的聞成本相關聯。
【發明內容】
[0006]因此，本發明的目的是允許以更加容易和更加經濟的方式製造由包含碳纖維的毛氈製成的熱絕緣體，而不用冒在工藝中降低絕緣作用或機械穩定性的風險。
[0007]本發明的目的通過製造具有權利要求1的特徵的熱絕緣體的方法並尤其通過製造由包含碳化纖維和/或石墨化纖維的材料製成的熱絕緣體的方法來實現，所述方法包括如下步驟:
[0008]a)提供至少一個由包含碳化纖維和/或石墨化纖維的材料製成的片狀模製件，該模製件包括至少一個第一彎曲部分和至少一個第二彎曲部分，並且該第一彎曲部分和該第二彎曲部分具有基於至少一個空間方向的相反的曲率，
[0009]b)通過分割模製件將該第一彎曲部分與該第二彎曲部分分離，以獲得至少一個單獨的第一彎曲部分和至少一個單獨的第二彎曲部分，以及
[0010]c)將單獨的部分連接以形成熱絕緣體，使得所述絕緣體具有基於所述空間方向以一致的方式連續的曲率。
[0011]根據本發明提供至少一個片狀模製件，該模製件由包含碳化纖維和/或石墨化纖維的材料製成，和更特別地優選地由包含碳化纖維和/或石墨化纖維的硬化毛氈材料製成，該模製件包括至少一個第一彎曲部分和至少一個第二彎曲部分，並且該第一部分和該第二部分具有基於至少一個空間方向的相反的曲率。通過分割模製件將該第一彎曲部分與該第二彎曲部分分離，以獲得至少一個單獨的第一彎曲部分和至少一個單獨的第二彎曲部分。然後將單獨的部分連接以形成熱絕緣體，使得所述絕緣體具有基於所述空間方向以一致的方式連續的曲率。
[0012]在本發明的含義中，分割模製件應理解為指從原來是單個部件的部件製造至少兩個分離的單獨的部分，所述分割不需要一定按對半分執行。片狀模製件應理解為不具有空腔的模製件，並且該模製件在一個特定方向上的延伸比在空間中的另外兩個方向上的延伸要明顯地小。較小的延伸通常稱作「厚度」。
[0013]還應進一步指出，在本申請的含義中，以一致的方式連續的曲率指不從正的曲率到負的曲率交替的曲率路徑，即不具有轉折點，曲率的值不需要一定到處相同。
[0014]因為模製件具有在相反方向上彎曲的兩部分，換句話講例如具有S形的橫截面，總體上相對於部件而言曲率較小。因此能夠比當兩部分在相同方向上彎曲時更容易地操作模製件。特別地，能夠在高溫系統中例如在製造碳基毛氈需要的碳化和石墨化期間以相對高的填裝率布置多個模製件，因為曲率以不同的方式延伸，所以模製件沒有以中空外形的方式而是更多地以板的方式被模製。因此，這能夠顯著地降低在高溫系統的加熱室中不想要的死體積。
[0015]根據本發明，特別地已經發現在製造方面提供如下部分是更有利的，所述部分以不同的方式彎曲並且之後在起始部件的成形期間被分離並且由此接受另外的分離工藝步驟，這是因為與通常的方法相比較所述製造方法的總體效率能夠顯著地提高，根據通常的方法單獨的部分被分別模製或者熱絕緣體實際上被作為單件製造。在對應的火爐系統中的高溫處理本身就是尤其費時間的和昂貴的，因此在這種情況下提高效率也對整個製造工藝具有特別積極的效果。
[0016]優選地，在步驟a)中提供模製件，其中第一部分的曲率和第二部分的在與第一部分的曲率相反方向上的曲率相互補償。因此提供了模製件，其在第一眼看上去，即實際上作為在整個模製件延伸上的平均，是不彎曲的。這種類型的「視覺上平坦的」模製件不僅比尖銳地彎曲的板或中空形狀更易於製造，而且更易於操作，例如堆疊。
[0017]本發明的優選實施方案提供:在步驟b)中，將模製件在轉折點處分割，在該轉折點處模製件的曲率行為基於空間方向改變。在接下來的將單獨的部分連接在一起以形成一個熱絕緣體的步驟c)中，因此能夠隨著單獨的部分中的一個單獨的部分的對應的旋轉和/或移位，而實現相對於曲率而言相對一致的過渡。
[0018]優選地，在步驟a)中提供模製件，該模製件含有至少兩個附加的彎曲部分，兩個連續部分的曲率中的每一個曲率相互補償。在根據本發明方法的該實施方案中，能夠提供多個曲率，同時維持模製件的整體板狀的性質。
[0019]根據本發明的特別有利的實施方案，在步驟a)中提供具有波浪形橫截面的模製件。這種類型的波浪形的板或波紋板尤其地易於製造和操作。
[0020]在步驟c)中，單獨的部分可以被連接在一起以形成熱絕緣體，該熱絕緣體形成中空形狀，該中空形狀在所述空間方向上延伸的至少一個橫截平面上是至少局部地封閉的。這種類型的中空形狀對於作為高溫火爐的加熱室的襯裡是尤其合適的。
[0021]特別地，在步驟c)中單獨的部分可以被連接以形成中空圓筒形式的熱絕緣體，該圓筒的縱向軸線與所述空間方向垂直地延伸。出於技術和商業的原因，高溫火爐通常含有圓筒形的內室。這種類型的內室能夠以簡單的方式藉助於中空圓筒形熱絕緣體被絕緣。
[0022]為了在熱絕緣體中實現均勻的絕緣和一致的強度且沒有薄弱點，優選地在步驟a)中提供具有均勻厚度的片狀模製件。
[0023]如果在步驟b)中分割模製件使得單獨的部分具有相同的形狀，也是有利的。這不僅簡化了組裝，還簡化了單獨的部分的可能的中間儲存。這些部件的均一性也提供了一定程度的冗餘度，使得能夠快速且簡單地更換有毛病的部件。
[0024]在步驟b)，模製件可以尤其通過被切開、鋸開或磨削而被分割。然而，取決於應用，也能夠使用其他的分離方法，例如熱的、化學的或電化學的分離方法，以及雷射束或水射流切割。
[0025]本發明的優選實施方案提供:在根據步驟b)將單獨的部分連接之前，單獨的第二部分或每一個單獨的第二部分被旋轉180°。結果，兩個單獨的部分的曲率行為被改變，使得兩個單獨的部分都具有基於空間方向在相同的方向上的曲率。
[0026]為了在步驟a)中提供模製件，可以將可硬化的起始材料壓縮以形成模製件，並且然後硬化。這種成形方式可以例如通過壓制非常有效地實行。
[0027]特別地，提供在由可碳化的樹脂製成的基體中的粉碎的毛氈元件作為可硬化的起始材料，所述毛氈元件包含碳化纖維和/或石墨化纖維。與根據本發明的方法有關，這種類型的毛氈材料已經被證明是尤其有利的。粉碎的毛氈元件被理解為毛氈碎片，毛氈碎片的長度小於10000mm,優選地小於1000mm,並且更加優選地小於100mm。特別地,酹醒樹脂、浙青、呋喃樹脂、苯酯、環氧樹脂和上面提到的化合物中的兩種或更多種的任意的混合物可以被提供作為樹脂。可以由這種類型的起始材料製造特別有效的絕緣體。
[0028]在這種情況下，起始材料可以在包括單獨的加強層的情況下被壓制，所述加強層由織物、無紡布、纖維結構或纖維膜(優選地石墨膜)或它們組合製成。這樣的加強層能夠顯著地提高要製造的部件的機械穩定性、對抗摩擦的穩定性和熱絕緣作用。
[0029]優選地，起始材料在由金屬製成的壓模中壓制。該壓模能夠有利地用於製造多個相似的模製件。
[0030]在本發明構思的拓展中提出模製件被製造成使得:具有呈波浪形外形的底部的壓模被多孔的起始材料填充，並且使得壓模在填充後被蓋子封閉，該蓋子同樣具有波浪形外形。蓋子和底部的波浪形狀轉移至要製造的模製件，該模製件因此包含多個交替的圓筒段。因此，在壓模中製造單獨的模製件為多個圓筒段提供基礎，所述圓筒段之後被組裝以形成圓筒體。
[0031]優選地，起始材料在壓模中經受熱壓工藝。這種類型的熱壓工藝使得能夠以特別有效的方式製造模製件。優選地，在從10到30N/cm2、更加優選地從15到25N/cm2的壓力下，在從120°C到250°C、更加優選地從160°C到200°C的溫度下，和/或在從60到320分鐘、更加優選地從200到280分鐘的時段內實施熱壓工藝。
[0032]在這種情況下，在熱壓工藝之前起始材料能夠在室溫下在壓模中進行預壓縮，以使實際的熱壓更加有效。
[0033]此外，在分割以前，模製件可經受高溫工藝，其在至少600°C的溫度下發生。使模製件而不是例如分離的單獨的部分經受高溫工藝是有利的，這是因為在可使用的操作空間方面，在高溫火爐加熱室中布置緊湊的模製件以及優選地緊湊的模製件堆疊比布置一堆鬆散的單獨的部分更加簡單、快速和更加有效。
[0034]如果高溫工藝包含在從800°C到1200°C的溫度實施的碳化和/或在從1500°C到2200°C的溫度實施的石墨化和/或熱清潔，則在絕緣性質方面實現尤其好的絕緣性質。
[0035]本發明還涉及能夠藉助於上面描述的方法獲得的熱絕緣體。
[0036]優選地，這樣的熱絕緣體根據DIN51936在直徑方向上在2000°C測得的熱傳導率為至多1.5W/(m.Κ)，且更加特別地為至多0.8ff/(m*K)。這確保了對於具有高熱需求的應用(例如矽單晶生產)的充分的絕緣。
[0037]還優選這種類型的熱絕緣體根據DIN EN658-3測得的壓縮強度和/或根據DINEN658-2和DIN 51910測得的抗彎強度為至少0.2MPa，優選地為至少0.5MPa，並且更加優選地為至少0.8MPa。這種類型的熱絕緣體對於在高溫環境中相對嚴格的機械需求是足夠堅硬的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0038]在下文中，基於實施例、參照附圖對本發明進一步詳細地加以描述，所述實施例解釋但不限制所述發明。
[0039]圖1是根據本發明用於製造熱絕緣體的方法提供的模製件的透視圖。
[0040]圖2是根據圖1的模製件的側面圖。
[0041]圖3是根據圖2的視圖的放大的細節。
[0042]圖4示出了已經根據本發明的方法製造的熱絕緣體。
【具體實施方式】
[0043]在製造由包含碳化纖維和/或石墨化纖維的毛氈材料製成的中空圓筒形熱絕緣體的方法中，根據圖1到3提供了由硬化的碳毛氈製成的片狀模製件11並且其具有波紋狀的板的形式。
[0044]為了製造所述模製件11，首先通過將碳化的和石墨化的、剁碎的毛氈元件與具有足夠高碳產量的粉狀的合成樹脂相混合，直到實現足夠程度的混合為止，來製造多孔的可硬化的起始材料。接下來，在五個面封閉的且優選由金屬製成的壓模中填充所述起始材料的鬆散的填料。在此方面，填料高度優選地開始選擇為要製造的模製件的期望最終厚度的約2到5倍。壓模具有帶有波浪形輪廓的底部。
[0045]一旦壓模已經用多孔的起始材料儘可能均一地填充，壓模被像底部一樣具有波浪形輪廓的蓋子封閉。底部和蓋子的波浪形輪廓被成形為，一旦蓋子已經被降低到期望的最終位置，則導致模製件基於外表面的表面法線的均一厚度。蓋子現在在壓模的靜止內壁內部被朝向壓模的底部推動，在此能夠首先在室溫實施預壓縮。然後，壓模被送進熱壓機，並且起始材料在約20N/cm2的壓力和約180°C的溫度下被壓縮約240分鐘。起始材料因此被硬化。在硬化後，模製件11能夠作為固有穩定的部件被從壓模中移除。
[0046]因為壓模的底部和蓋子的波浪形狀，所以模製件11形成波浪形的板，其中，當從橫向方向Q觀察時，根據圖2向上彎曲的圓筒段13A和根據圖2向下彎曲的圓筒段13B以交替的方式相互跟隨。模製件11的曲率行為因此在每種情況下在轉折線15處改變，所述轉折線15平行地且與橫向方向Q垂直地延伸。
[0047]波浪形的模製件11然後經受後處理。具體地，在約900°C實施碳化工藝，接下來在約2200°C實施石墨化工藝，以及需要時接下來的另外的熱清潔。該後處理製造的絕緣材料能夠在2000°C的溫度下用在惰性氣氛中。根據DIN51936在直徑方向在2000°C下測量，已經令人驚訝地發現以這種方式壓制和熱處理的絕緣材料在波浪形板外形的每一個點處均具有至多1.5ff/(m.K)的熱傳導率。
[0048]然後將模製件11沿著轉折線15切割。由此使以不同方式彎曲的圓筒段13A、13B相互分離。為了促進切割，在模製件11的兩個外表面上沿著轉折線15設置缺口 17。
[0049]然後將圓筒段13A、13B連接在一起，所有的根據圖2向上彎曲的圓筒段13B均繞與轉折線15平行地延伸的旋轉軸線D旋轉，並且因此在組裝時，得到的部件的曲率行為不再變化，而是存在以一致的方式連續的曲率。旋轉也可以例如繞與橫向方向平行地延伸的軸線發生，只要保持圓筒段13A、13B之間的曲率的變化即可。
[0050]圓筒段13A、13B可以使用現有技術已知的連接技術例如通過粘合進行連接。用於製造如在圖4中所示的閉合的中空圓筒外形17所需的圓筒段13A、13B被連接在一起，所述外形具有圓筒的縱向軸線L，且能夠用作具有圓筒形加熱室的火爐系統的熱絕緣體。
[0051]附圖標記列表
[0052]11模製件
[0053]13A, 13B 圓筒段
[0054]15轉折線
[0055]17缺口
[0056]Q橫向方向
[0057]D旋轉軸線
[0058]L圓筒的縱向軸線
【權利要求】
1.製造熱絕緣體的方法，所述熱絕緣體由包含碳化纖維和/或石墨化纖維的材料製成，所述方法包括如下步驟: a)提供至少一個由包含碳化纖維和/或石墨化纖維的材料製成的片狀模製件(11)，其中所述模製件(11)包括至少一個第一彎曲部分和至少一個第二彎曲部分，並且其中所述第一部分和所述第二部分具有基於至少一個空間方向(Q)的相反的曲率， b)通過分割所述模製件(11)分離所述第一彎曲部分與所述第二彎曲部分，以獲得至少一個單獨的第一彎曲部分(13A)和至少一個單獨的第二彎曲部分(13B)，以及 c)將所述單獨的部分(13A，13B)連接以形成熱絕緣體，使得所述熱絕緣體具有基於所述空間方向(Q)以一致的方式連續的曲率。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於在步驟a)中提供模製件(11)，其中所述第一部分的曲率和所述第二部分的在與所述第一部分的曲率相反方向上的曲率相互補償。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於在步驟b)中，所述模製件(11)在轉折點(15)處被分割，在所述轉折點處所述模製件(11)的曲率行為基於所述空間方向(Q)改變。
4.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於在步驟a)中提供模製件(11)，所述模製件具有至少兩個附加的彎曲部分，兩個連續部分的曲率中的每一個曲率相互補償。
5.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於在步驟a)中提供具有波浪形橫截面的模製件(11)。
6.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於在步驟c)中，所述單獨的部分被連接在一起以形成熱絕緣體，所述熱絕緣體形成中空形狀，該中空形狀在所述空間方向(Q)上延伸的至少一個橫截平面中至少局部地封閉。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於在步驟c)中，所述單獨的部分(13A，13B)被連接在一起以形成具有中空圓筒形式的熱絕緣體，圓筒的縱向軸線(L)與所述空間方向(Q)垂直地延伸。
8.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於在步驟a)中提供具有均勻厚度的片狀模製件(11)。
9.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於在步驟b)中將所述模製件(11)分割使得所述單獨的部分(13A，13B)具有相同的形狀。
10.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於在根據步驟b)將所述單獨的部分(13A，13B)連接之前，將單獨的第二部分(13B)或每一個單獨的第二部分(13B)旋轉 180。。
11.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於在步驟a)中為了提供所述模製件(11)，將可硬化的起始材料壓縮以形成所述模製件(11)，並且然後硬化。
12.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於提供在由碳化樹脂製成的基體中的粉碎的毛氈元件作為可硬化的起始材料，所述毛氈元件包含碳化纖維和/或石墨化纖維。
13.根據權利要求12所述的方法，其特徵在於具有呈波浪形外形的底部的壓模被多孔的起始材料填充，並且壓模在填充後被蓋子封閉，所述蓋子同樣具有波浪形外形。
14.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其特徵在於在分割前所述模製件(11)可經受高溫工藝，所述高溫工藝在至少60(TC的溫度下發生。
15.通過根據權利要求1至14中的任一項所述的方法獲得的熱絕緣體。
【文檔編號】B01J19/00GK104334270SQ201380027227
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年5月22日 優先權日:2012年5月23日
【發明者】博多·貝尼切, 西尼沙·米洛武科維奇 申請人:西格裡碳素歐洲公司