CN101157563A - 电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，该技术包括三部分内容：电热法CVI沉积炉设计；预制体的制备；预制体的致密化和高温热处理。具体是将预制体自身直接被用作发热体，在沉积炉中作为电源的电极，在预制体的两端加上电流，通过预制体的自身电阻产生热量，使炉室达到反应气体的热解温度以上。

Description

电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺
(一)技术领域：
本发明提供电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，属于炭/炭复合材料技术领域。
(二)背景技术：
炭/炭(C/C)复合材料在高温环境下具有高比强度和比模量，低密度以及良好的耐烧蚀、热物理、高温力学性能，特别是它们在很大的温度变化范围内能够保持非常合理的摩擦系数，已被成功地用于战略核武器的导弹鼻锥、火箭发动机的喷管喉衬、航天飞机的鼻锥和机翼前缘以及飞机刹车盘等军事、航空航天领域，但是这种材料因为炭纤维原材料的价格高和制备工艺周期长而导致成本很高，至今它们在工业与民用等领域还未获得广泛应用，因此研发快速低成本致密化新技术是目前国际C/C复合材料研究的重大课题之一。
在C/C复合材料致密化方面，目前国内外主要采用树脂法和化学气相渗积(CVI)法。树脂法一般需要多次循环浸入树脂或者沥青然后进行炭化和石墨化，等温CVI法预制体则需致密化1000小时以上，这些导致了C/C复合材料制备周期长、成本高，并极大限制了其应用范围，因而国内外都投入了大量人力物力研究快速致密化技术，相继提出了热梯度CVI、强迫对流热梯度CVI、直热CVI等新工艺，但这些方法由于种种原因，均未在工业中取得大的应用。
电热法(electrified perform heating CVI method，简称ECVI)是通过对温度、压力、接触面积和自由空间体积比等参数的控制，控制气体的滞留时间，实现沉积碳自预制体内部向外部的一次性逐层渗积，使碳的渗积速率提高一个数量级，大大降低致密化成本。同时结合对热解碳类型、组织结构、界面的设计，提高力学性能、摩擦学性能及材质自身抗氧化能力，为C/C复合材料实际应用(特别是作为飞机刹车盘应用)奠定良好基础。
(三)发明内容：
本发明的目的在于提供一种电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，解决现有技术中C/C复合材料制备周期长、成本高的缺陷，快速制备出具有高力学性能、良好热物理性能的C/C复合材料，以降低成本。
本发明一种电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，其技术方案分为以下几部分：预制体的制备，电热法CVI沉积炉设计，预制体的致密化和高温热处理；其工艺流程如图1所示：
1.预制体的制备
首先，采用整体针刺毡作为预制体，其结构单元为一层网胎+两层无纬布，二层无纬布之间的长纤维采用正交(90°)铺层，铺设均匀；铺层数应不低于15层；无纬布采用T300 PAN基炭纤维，其重量占整体重量的比例为≥75％；网胎也采用T300 PAN基炭纤维，其重量比为≤25％；初始密度为0.5g/cm3左右。然后，将针刺毡预制体固定在自制的石墨夹具上，在石墨体的凹槽内把预制体固定。该石墨夹具主要是由石墨体和绝缘体两大部分组成，底部的两个独立的石墨体与两个铜电极分别螺接固定，顶部的石墨体由绝缘体固定支撑，如图2所示。
2.电热法CVI沉积炉设计
电热法CVI沉积炉如图3所示。炉体的底端安装电绝缘体和两个铜电极，炉体的内壁安装冷却***，并设有隔热层避免炉体外壁温度过高，炉体上安装了可视口，用于观察炉体内的各种现象，进气口安装在炉体的底端，出气口安装在炉体的顶端，预制体固定在由石墨体制成的石墨夹具内，炉体中心处的绝缘体固定支撑石墨体，绝缘体的中心安装冷却***，热电耦安装于预制体表面，用于测定预制体表面的温度，热电耦安装于预制体中心部分，用于测定预制体中心部分的温度。
3.预制体的致密化和高温热处理
首先进行抽真空以检查是否漏气，然后通入氮气来净化炉体，持续通入氮气直到炉体内的气压达到一个大气压；接着将预制体加热到表面温度为700～800℃，同时要持续通入氮气，氮气的作用是防止预制体氧化。预制体外表面的温度与内部中心部分的温度利用两个热电耦进行测试，一个固定在预制体表面，另一个固定在预制体中心部分处。当中心的温度达到900～1100℃时，通入天然气与氮气的混和气体。随着沉积的进行，在表面部分的热电耦测到的温度会慢慢上升，趋近于预制体中心的温度，但是在整个沉积过程中沉积温度仍然保持在900～1100℃，沉积时间80小时，预制体致密化结束；然后，对经过致密化的材料进行高温热处理：把材料放在真空碳化炉中，在氮气或氩气保护的状态下，以30～50℃/h的升温速率，升温到2000-2500℃，并保温3～5小时，即得成品。
其中，该预制体自身直接被用作发热体，在沉积炉中作为电源的电极。
其中，在该预制体的两端加上电流，通过预制体的自身电阻产生热量。
其中，该石墨夹具主要是由石墨体和绝缘体两大部分组成，底部的两个独立的石墨体与两个铜电极分别螺接固定，顶部的石墨体由绝缘体固定支撑。
其中，通入天然气与氮气的混合气的流速为35l/min。
其中，在该抽真空以检查是否漏气的步骤中，应保证漏气的速率小于0.13Pa/min
本发明一种电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，其优点及功效在于：，炭/炭构件的制备周期长短、成本低，且制备出的炭/炭构件具有高力学性能、良好热物理性能。
(四)附图说明：
图1电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺流程图
图2自制的石墨夹具示意图
图3电热法CVI沉积炉示意图
具体标号及符号如下：
1、出气口      2、绝缘体       3、冷却***
4、热电耦      5、石墨体       6、电绝缘体
7、铜电极      8、预制体       9、可视口
10、热电耦     11、冷却***    12、隔热层
13、进气口
°度、℃摄氏度、℃/h摄氏度/小时、
Pa/min  帕/分、    l/min升/分
(五)具体实施方式：
本发明一种电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，其具体实施方式结合附图叙述如下：
1.预制体的制备
首先，采用整体针刺毡作为预制体，预制体的尺寸为1100×500×35mm，炭纤维的体积含量为40％。其结构单元为一层网胎+两层无纬布，二层无纬布之间的长纤维采用正交(90°)铺层，铺设均匀；铺层数应不低于15层；无纬布采用T300 PAN基炭纤维，其重量占整体重量的比例为≥75％；网胎也采用T300 PAN基炭纤维，其重量比为≤25％；初始密度为0.5g/cm3左右。然后，将针刺毡预制体固定在自制的石墨夹具上，在石墨体的凹槽内把预制体固定。该石墨夹具主要是由石墨体5和绝缘体2两大部分组成，底部的两个独立的石墨体5是与两个铜电极7分别螺接固定的，顶部的石墨体是由绝缘体2固定支撑的，如图2所示。
2.电热法CVI沉积炉设计
电热法CVI沉积炉如图3所示。炉体的底端安装电绝缘体6和两个铜电极7，炉体的内壁安装冷却***11，并设有隔热层12避免炉体外壁温度过高，炉体上安装了可视口9，用于观察炉体内的各种现象，进气口13安装在炉体的底端，出气口1安装在炉体的顶端，预制体8固定在由石墨体5制成的石墨夹具内，炉体中心处的绝缘体2固定支撑石墨体5，绝缘体2的中心安装冷却***3，热电耦4安装于预制体表面，用于测定预制体表面的温度，热电耦10安装于预制体中心部分，用于测定预制体中心部分的温度。
3.预制体的致密化
电热法CVI沉积炉如图3所示，以天然气作为前驱体，天然气气流量为35l/min。实验的第一步是对沉积设备进行抽真空检查是否漏气；要保证漏气的速率小于0.13Pa/min，通入氮气大约30分钟来净化炉体，然后通入氮气直到炉体内的气压达到一个大气压。接着加热预制体，其外表面的温度与内部中心部分的温度利用两个热电耦进行测试，一个热电耦固定在预制体表面，另一个固定在预制体厚度的中心部分处，控制预制体中心温度为900～1100℃，表面温度为700～800℃，使得温度梯度为200～300℃，同时要持续通入氮气，氮气的作用是起到保护作用防止氧化。等到沉积温度稳定了30分钟以后，天然气和氮气的混合气体通入沉积炉内。随着沉积的进行，在表面部分的热电耦测到的温度会慢慢上升，趋近于预制体中心的温度，但是在整个沉积过程中沉积温度仍然保持在900～1100℃，待沉积时间达到80小时，预制体致密化结束，然后对经过致密化的材料进行高温热处理：把材料放在真空碳化炉中，在氮气保护的状态下，以30℃/h的升温速率，升温到2500℃，并保温3小时，即得成品。

Claims (6)

1.一种电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，其特征在于：其制备工艺为：
(1)预制体的制备
首先，采用整体针刺毡作为预制体，其结构单元为一层网胎+两层无纬布，二层无纬布之间的长纤维采用正交铺层，铺设均匀；铺层数应不低于15层；无纬布采用T300 PAN基炭纤维，其重量占整体重量的比例为≥75％；网胎也采用T300 PAN基炭纤维，其重量比为≤25％；初始密度为0.5g/cm3左右；然后，将针刺毡预制体固定在自制的石墨夹具上，在石墨体的凹槽内把预制体固定；
(2)电热法化学气相渗积沉积炉设计
炉体的底端安装电绝缘体和两个铜电极，炉体的内壁安装冷却***，并设有隔热层避免炉体外壁温度过高，炉体上安装可视口，用于观察炉体内的各种现象，进气口安装在炉体的底端，出气口安装在炉体的顶端，预制体固定在由石墨体制成的石墨夹具内，炉体中心处的绝缘体固定支撑石墨体，绝缘体的中心安装冷却***，一个热电耦安装于预制体表面，用于测定预制体表面的温度，另一个热电耦安装于预制体中心部分，用于测定预制体中心部分的温度；
(3)预制体的致密化和高温热处理
首先进行抽真空以检查是否漏气，然后通入氮气来净化炉体，持续通入氮气直到炉体内的气压达到一个大气压；接着将预制体加热到表面温度为700～800℃，同时要持续通入氮气；预制体外表面的温度与内部中心部分的温度利用两个热电耦进行测试，一个固定在预制体表面，另一个固定在预制体中心部分处；当中心的温度达到900～1100℃时，通入天然气与氮气的混和气体；随着沉积的进行，在表面部分的热电耦测到的温度会慢慢上升，趋近于预制体中心的温度；整个沉积过程中沉积温度保持在900～1100℃，沉积时间80小时，预制体致密化结束；然后，对经过致密化的材料进行高温热处理：把材料放在真空碳化炉中，在氮气或氩气保护的状态下，以30～50℃/h的升温速率，升温到2000-2500℃，并保温3～5小时，即得成品。
2.根据权利要求1所述的电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，其特征在于：该预制体自身直接被用作发热体，在沉积炉中作为电源的电极。
3.根据权利要求1所述的电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，其特征在于：在该预制体的两端加上电流，通过预制体的自身电阻产生热量。
4.根据权利要求1所述的电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，其特征在于：该石墨夹具主要是由石墨体和绝缘体两大部分组成，底部的两个独立的石墨体与两个铜电极分别螺接固定，顶部的石墨体由绝缘体固定支撑。
5.根据权利要求1所述的电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，其特征在于：通入天然气与氮气的混合气的流速为35l/min。
6.根据权利要求1所述的电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，其特征在于：在该抽真空以检查是否漏气的步骤中，应保证漏气的速率小于0.13Pa/min。
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Assignee: Jiangsu Tianniao High Technology Co., Ltd.

Assignor: Beihang University

Contract record no.: 2011990000461

Denomination of invention: Process for preparing charcoal/charcoal component by electrothermy orienting infiltration

Granted publication date: 20091007

License type: Exclusive License

Open date: 20080409

Record date: 20110615