CN101386547B - 碳/碳复合材料发热体及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工艺简单、环保的碳/碳复合材料发热体及其生产工艺，其特征是它由碳纤维经制坯—增密—纯化—机加工—净化制成，本发明工艺简单，制坯时，采用由蓬松的针状碳纤维组成的网胎，在针刺时较容易获得准三维预制体，预制体内部碳纤维纵横交错，抱合力较强，不会脱层，结构稳定，同时，预制体孔隙较小，也便于加快后续的增密过程；采用化学气相沉积增密制成的发热体毛坯由碳纤维和碳素基质构成，其中碳素基质系由采用高温热解方式获得的热解碳组成，纯度很高，只须在真空或保护气氛下高温纯化即可获得灰份<180ppm的碳/碳复合材料制品，节能环保。

Description

碳/碳复合材料发热体及其生产工艺

技术领域：

本发明涉及一种多晶硅炉、单晶炉等高温炉部件，具体地说是一种由碳/碳复合材料加工制造的发热体及其生产工艺。

背景技术：

多晶硅炉和单晶炉是太阳能光伏产业普遍应用的主要设备，其最高使用温度高达1600℃以上，目前，往往采用电阻加热方式，其发热体普遍采用三高石墨制作。由于石墨力学性能较差，制品强度低，在外力作用下容易破碎，使用寿命较短。此外，石墨抗热抗震性不好，在反复高温热震条件下易产生微裂纹，微裂纹的存在影响着制品的电学性能和热学性能，改变了其导电导热性能，使加热时石墨加热器的功率及炉内热场发生变化，影响了生产的正常进行，也导致企业生产成本增加。另外，发热体采用长而窄的U型结构时，若用石墨加工，则需用机加工方法将整块料的中间部分切除，耗材较多，加工难度也较大。专利号为200610043185.X、授权公告号为CN100366581C、发明名称为单晶硅拉制炉及多晶硅冶炼炉用碳/碳加热器的制备方法的专利公开了一种碳/碳加热器的制备方法，用以替代石墨加热器。该方法采用碳布准三向结构预制体，通过化学气相沉积和糠酮树脂浸渍碳化以及热等静压沥青碳化相结合的致密工艺，反复致密处理数次，制品密度≥1.83g/cm³时致密工艺结束，在通入氯气和氟利昂的条件下对制品进行高温纯化处理，机械加工后即可制得单晶硅拉制炉用热场碳/碳加热器。该方法采用的致密工艺，要反复致密处理数次，使制品密度≥1.83g/cm³时才能结束工艺，过程较为复杂，杂质含量较高，且要通入氯气和氟利昂对制品进行纯化处理，对环保带来一定的压力，在人们环保意识日益增强的今天，这是人们所不希望的。

发明内容：

本发明的目的是提供一种工艺简单、环保的碳/碳复合材料发热体及其生产工艺。

本发明是采用如下技术方案实现其发明目的的，一种碳/碳复合材料发热体生产工艺，它包括以下步骤：

(1)制坯：将由碳纤维制成的网胎与碳布通过针刺使之复合，制成所需要求的发热体预制体；

(2)增密：将步骤(1)所得的发热体预制体经化学气相渗透(沉积)增密，制成所需要求的发热体坯体；

(3)纯化：将步骤(2)所得的发热体坯体放入高温炉中，在真空条件下加热去除其中杂质；

(4)机加工：将步骤(3)所得发热体坯体机加工成所需形状和尺寸的发热体。

本发明为去除机加工过程中产生的杂质，在步骤(4)后进行净化，所述的净化为将发热体成品放入真空炉中，在真空条件下加热至1600℃～2800℃，保温30分钟～360分钟。

本发明在步骤(1)中，所述网胎的面密度为20g/m²～200g/m²，碳布的面密度为100g/m²～400g/m²，制成的发热体预制体，其表观密度为0.3g/cm³～0.7g/cm³。

本发明在步骤(2)中，发热体坯体的表观密度为1.2g/cm³～1.9g/cm³。

本发明在步骤(3)中纯化温度为1600℃～2800℃，保温时间为3h～10h。

一种由上述生产工艺加工所得的发热体，它由碳纤维经制坯—增密—纯化—机加工制成，其形状为U形、棒状、筒形或板状。

一种由上述生产工艺加工所得的发热体，它由碳纤维经制坯—增密—纯化—机加工—净化制成，其形状为U形、棒状、筒形或板状。

本发明所述发热体为筒形或板状时，其上设有导流散热槽并均布。

由于采用上述技术方案，本发明较好的实现了发明目的，其工艺简单，制坯时，采用由蓬松的针状碳纤维组成的网胎，在针刺时较容易获得准三维预制体，预制体内部碳纤维纵横交错，抱合力较强，不会脱层，结构稳定，同时，预制体孔隙较小，也便于加快后续的增密过程；采用化学气相沉积增密制成的发热体毛坯由碳纤维和碳素基质构成，其中碳素基质系由采用高温热解方式获得的热解碳组成，纯度很高，只须在真空或保护气氛下高温纯化即可获得灰份＜180ppm的碳/碳复合材料制品，节能环保。

附图说明：

图1是发热体为U形时的示意图；

图2是发热体为棒状时的示意图；

图3是发热体为筒形时的示意图；

图4是发热体为板状时的示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

(1)制坯：

①开松成网将长碳纤维短切成25mm～70mm长的短碳纤维，经开松设备开松成蓬松的针状纤维，然后把开松好的碳纤维经气流成网和/或梳理成网，再利用铺网机铺成纤维网，预刺成网胎，所述网胎的面密度为20g/m²～200g/m²(本实施例为120g/m²)；

②缠绕针刺成型采用近净成型的方法，将网胎缠绕于模具(本实施例为U形体模具)上，在其上覆盖一层碳布，碳布的面密度为100g/m²～400g/m²(本实施例为260g/m²)，然后再覆盖一层网胎，网胎与碳布交迭放置至要求厚度，并通过针刺使之复合，制成所需要求的碳/碳复合材料发热体预制体，其表观密度为0.3g/cm³-0.7g/cm³(本实施例为0.56g/cm³)。

(2)增密：

将步骤(1)所得的发热体预制体通过化学气相渗透(沉积)增密(本实施例采用沉积)，将其密度逐步增加并经石墨化处理，使之表观密度达到1.2g/cm³～1.9g/cm³(本实施例为1.63g/cm³)，制成碳/碳复合材料发热体毛坯。

(3)纯化：

将步骤(2)所得的发热体毛坯装入真空炉中进行纯化处理，在真空条件下加热去除其中杂质，纯化温度为1600℃～2800℃(本实施例为2500℃)，保温时间为3h～10h(本实施例为4.6h)。

(4)机加工：

将步骤(3)所得的发热体毛坯经机加工成发热体成品(本实施例为U形)。

为去除机加工过程中产生的杂质，将步骤(4)所得的发热体成品放入真空炉中，在真空条件下加热至1600℃～2800℃(本实施例为1860℃)，保温30分钟—360分钟(本实施例为90分钟)。

实施例2：

在步骤(1)中，发热体预制体加工成板状，其表观密度为0.61g/cm³，增密后表观密度为1.65g/cm³，机加工时先切成条，再机加工成棒，余同实施例1。

实施例3：

在步骤(1)中，模具为筒形，加工成发热体成品也为筒形，发热体预制体表观密度为0.5g/cm³，增密后表观密度为1.59g/cm³，筒形发热体上均布有由机加工形成的导流散热槽1，余同实施例1。

实施例4：

在步骤(1)中，发热体预制体加工成板状，其表观密度为0.59g/cm³，增密后表观密度为1.5g/cm³，机加工时，板状发热体上加工出导流散热槽1并均布，余同实施例1。

Claims (1)

1.一种碳/碳复合材料发热体生产工艺，其特征是包括以下步骤：

⑴制坯：将由碳纤维制成的网胎与碳布通过针刺使之复合，制成所需要求的发热体预制体，所述网胎的面密度为20g/㎡～200g/㎡，碳布的面密度为100 g/㎡～400g/㎡，制成的发热体预制体，其表观密度为0.3g/cm³～0.7g/cm³；

⑵增密：将步骤⑴所得的发热体预制体经化学气相渗透或沉积增密，制成所需要求的发热体坯体，发热体坯体的表观密度为1.2g/cm³～1.9g/cm³；

⑶纯化：将步骤⑵所得的发热体坯体放入高温炉中，在真空条件下加热去除其中杂质，纯化温度为1600℃～2800℃，保温时间为3h～10h；

⑷机加工：将步骤⑶所得发热体坯体机加工成所需形状和尺寸的发热体；

⑸净化：将步骤⑷所得发热体成品放入真空炉中，在真空条件下加热至1600℃～2800℃，保温30分钟～360分钟。

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