CN109111239B - 一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置及面板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置及面板的制备方法，所述装置包括镂空石墨板、微孔导气板；将镂空石墨板、微孔导气板叠置构成一块支撑板，在两块支撑板的微孔导气板之间夹装一块超薄碳/碳复合材料坯料，用紧固件将两块支撑板紧固，构成制备超薄碳/碳复合材料面板的装置。面板的制备方法，是将所述装置于化学气相沉积炉进行化学气相渗碳增密。本发明的装置，可在镂空石墨板与超薄碳/碳复合材料坯料之间构建了碳源气的有效通道，将碳源气体均匀导向超薄碳/碳复合材料坯体，解决坯体化学气相渗碳密度均匀性和变形的问题，制备出密度均匀、表面平整的超薄碳/碳复合材料面板，其密度为1.7‑2.0g/cm3，厚度为0.2‑0.8mm。

Description

一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置及面板的制备方法
技术领域
本发明公开了一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置及面板的制备方法，属于化学气相沉积技术领域。
背景技术
超薄碳/碳复合材料面板，是指厚度在0.2-0.8mm之间，表面平整的平板构件。一般采用化学气相渗碳方法制备高性能超薄碳/碳复合材料面板，但由于化学气相渗碳是一种高温化学处理过程，超薄平板构件在此过程中极易变形，必须采用定型工装加以控制。
现有技术采用镂空石墨工装夹持超薄碳/碳复合材料进行化学气相沉积，通过镂空的孔洞，将碳源气导向构件，实施化学气相渗碳，利用石墨的高温强度性能，能够在高温下实现对构件的变形控制，制备超薄碳/碳复合材料面板。但是，由于对石墨的高温强度有一定的要求，因此，为保持镂空石墨工装的夹持强度，镂空的孔洞之间间隙较大，通常镂空部分的面积占比不超过60％，采用这种镂空石墨工装的镂空孔洞导气，进行化学气相沉积时，会导致碳源气在构件表面的分布不均，镂空局部获得有效渗碳，未镂空局部不能有效渗碳，严重影响构件密度的均匀性和性能的均匀性，由于，致使采用镂空石墨工装的现有技术制备的超薄碳/碳复合材料面板的最大平均密度只能达到1.7g/cm3，满足不了对超薄碳/碳复合材料面板密度的要求。
因此，发明一种可以制备密度均匀的制备超薄碳/碳复合材料面板的装置及超薄碳/碳复合材料面板的制备方法成为本领域的亟需。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置及超薄碳/碳复合材料面板的制备方法。本发明的装置结构合理、可以提供碳源气的均匀传输通道，确保碳源气在超薄碳/碳复合材料上均匀沉积。本发明的方法可以制备出密度均匀、变形量满足要求的超薄碳/碳复合材料面板。
本发明一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置，所述装置包括镂空石墨板、微孔导气板；将镂空石墨板、微孔导气板叠置构成一块支撑板，在两块支撑板的微孔导气板之间夹装一块超薄碳/碳复合材料坯料，用紧固件将两块支撑板紧固，构成制备超薄碳/碳复合材料面板的装置。
本发明一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置，所述微孔导气板的厚度为1-10mm，密度为0.3-1.6g/cm3。
本发明一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置，所述镂空石墨板的厚度为30-50mm，镂空面积占石墨板总面积40-60％。
本发明一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置，用紧固件将两块支撑板紧固是在镂空石墨板上设置紧固件；所述紧固件为螺栓螺母，螺栓穿过设于镂空石墨板上的螺栓孔，用螺母进行紧固。
本发明一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置，微孔导气板采用下述方案制备：
将碳纤维网胎针刺成平板毡，进行化学气相渗碳增密、硬化；然后进行石墨化处理，机加工得到微孔导气板；
针刺成的平板毡的厚度为3-12mm，密度为0.1-0.3g/cm3；
平板毡经化学气相渗碳增密至0.3-1.6g/cm3；
石墨化处理后机加工至1-10mm。
本发明一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置，所述碳纤维网胎为T700，其厚度为1-6mm，密度为0.01-0.03g/cm3
本发明一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置，化学气相渗碳增密工艺参数为：以CH4为碳源气，控制炉温为1000-1200℃、炉压为1-10kPa，累计化学气相渗碳5-200h后出炉。
本发明一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置，石墨化处理制度为：控制炉内气氛为氩气0.11-0.13MPa、炉温为2000-2300℃、保温时间为1-2h，随炉冷却。
本发明一种制备超薄碳/碳复合材料面板的方法，是将超薄碳/碳复合材料面板的装置置于化学气相沉积炉进行化学气相渗碳增密；化学气相渗碳增密工艺参数为：以CH4为碳源气，控制炉温为1000-1200℃、炉压为1-6kPa，累计化学气相渗碳200-400h后出炉。
本发明一种制备超薄碳/碳复合材料面板的方法，超薄碳/碳复合材料坯料的厚度为0.2-0.8mm，碳纤维密度为0.4-0.8g/cm3；化学气相渗碳增密后得到的超薄碳/碳复合材料面板密度为1.7-2.0g/cm3。
微孔导气板中的初始碳纤维密度，小于超薄碳/碳复合材料坯料中的初始碳纤维密度。
本发明一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置，结构组装次序为：镂空石墨+微孔导气板+超薄碳/碳复合材料坯料+微孔导气板+镂空石墨，超薄碳/碳复合材料坯料夹在两微孔导气板之间；
优点及积极效果
本发明将碳纤维网胎针刺成平板毡，经过化学气相渗碳增密硬化、石墨化、机加工得到微孔导气板，利用微孔导气板，将碳源气体均匀导向超薄碳/碳复合材料面板，解决面板的均匀化学气相渗碳问题和变形控制问题。以初始碳纤维密度为0.4-0.8g/cm3的超薄碳/碳复合材料坯料，采用本发明的制备超薄碳/碳复合材料面板的装置，可制备出密度为1.7-2.0g/cm3，厚度为0.2-0.8mm的超薄碳/碳复合材料面板。本发明制备超薄碳/碳复合材料面板的装置，利用微孔导气板，将碳源气均匀导向超薄碳/碳复合材料面板，解决面板的均匀化学气相渗碳问题和变形控制问题，可制备出密度均匀、表面平整的超薄碳/碳复合材料面板，其密度为1.7-2.0g/cm3，厚度为0.2-0.8mm。
本发明利用微孔导气板，将碳源气均匀导向超薄碳/碳复合材料坯料，解决坯体化学气相渗碳密度均匀性和变形问题，具有以下优点。
1、本发明的微孔导气板厚度控制在1-10mm，内部存在大量微米尺度的孔隙，在镂空石墨板与超薄碳/碳复合材料坯料之间构建了碳源气的有效通道，将碳源气均匀导向超薄碳/碳复合材料面板，实现其均匀化学气相渗碳。
2、本发明的微孔导气板，其初始碳纤维密度小于面板初始碳纤维密度，即面板中碳纤维的比表面积更大、对碳源气的吸附更强、渗碳效率更高，在渗碳过程中，使面板获得高于微孔导气板的密度。
3、本发明的微孔导气板，是一种碳纤维增强的复合材料，具有较好的高温强度，对超薄碳/碳复合材料面板具有固型作用，避免了薄板材料易变形，尺寸不稳定的现象。
4、本发明的制备超薄碳/碳复合材料面板的装置，以初始碳纤维密度为0.4-0.8g/cm3的面板为原料，可制备出密度为1.7-2.0g/cm3，厚度为0.2-0.8mm的超薄碳/碳复合材料面板。
附图说明
附图1为本发明微孔导气板的制备工艺流程图；
附图2为本发明制备超薄碳/碳复合材料面板的装置的装配图；
图2中，1---镂空石墨板，2---微孔导气板，3---超薄碳/碳复合材料坯料。
具体实施方式
实施例1：
参见附图2，一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置，所述装置包括镂空石墨板、微孔导气板；将镂空石墨板、微孔导气板叠置构成一块支撑板，在两块支撑板的微孔导气板之间夹装一块超薄碳/碳复合材料坯料，用紧固件将两块支撑板紧固，构成制备超薄碳/碳复合材料面板的装置；
所述微孔导气板的厚度为5mm，密度为1.0g/cm3；
所述镂空石墨板的厚度为30-50mm，镂空面积占石墨板总面积40-60％；
用螺栓穿过设于镂空石墨板上的螺栓孔，用螺母进行紧固。
实施例2
参见附图1，一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置中微孔导气板采用下述方案制备：
将厚度为1mm，密度为0.03g/cm3的T700碳纤维网胎针刺成厚度为3mm、密度为0.3g/cm3的平板毡，进行化学气相渗碳增密至1.6g/cm3、硬化后，进行石墨化处理，机加工得到1mm厚的微孔导气板；
化学气相渗碳增密工艺参数为：以CH4为碳源气，控制炉温为1000℃、炉压为1kPa，累计化学气相渗碳50h后出炉；
石墨化处理制度为：控制炉内气氛为氩气0.11-0.13MPa、炉温为2000℃、保温时间为2h，随炉冷却。
将制备超薄碳/碳复合材料面板的装置置于化学气相沉积炉进行化学气相渗碳增密；化学气相渗碳增密工艺参数为：以CH4为碳源气，控制炉温为1000℃、炉压为1kPa，累计化学气相渗碳400h后出炉；
制备超薄碳/碳复合材料面板的装置结构组装次序为：镂空石墨+微孔导气板+超薄碳/碳复合材料坯料+微孔导气板+镂空石墨，超薄碳/碳复合材料坯料夹在两微孔导气板之间；
超薄碳/碳复合材料坯料的厚度为0.2mm，碳纤维密度为0.8g/cm3；化学气相渗碳增密后得到的超薄碳/碳复合材料面板密度为2.0g/cm3。
实施例3：
一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置中微孔导气板采用下述方案制备：
将厚度为3mm，密度为0.03g/cm3的T700碳纤维网胎针刺成厚度为8mm、密度为0.2g/cm3的平板毡，进行化学气相渗碳增密至0.3g/cm3、硬化后，进行石墨化处理，机加工得到6mm厚的微孔导气板；
化学气相渗碳增密工艺参数为：以CH4为碳源气，控制炉温为1000℃、炉压为3kPa，累计化学气相渗碳5h后出炉；
石墨化处理制度为：控制炉内气氛为氩气0.11-0.13MPa、炉温为2300℃、保温时间为1h，随炉冷却。
将制备超薄碳/碳复合材料面板的装置置于化学气相沉积炉进行化学气相渗碳增密；化学气相渗碳增密工艺参数为：以CH4为碳源气，控制炉温为1100℃、炉压为4kPa，累计化学气相渗碳300h后出炉；
制备超薄碳/碳复合材料面板的装置结构组装次序为：镂空石墨+微孔导气板+超薄碳/碳复合材料坯料+微孔导气板+镂空石墨，超薄碳/碳复合材料坯料夹在两微孔导气板之间；
超薄碳/碳复合材料坯料的厚度为0.5mm，碳纤维密度为0.5g/cm3；化学气相渗碳增密后得到的超薄碳/碳复合材料面板密度为1.8g/cm3。
实施例4：
一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置中微孔导气板采用下述方案制备：
将厚度为6mm，密度为0.03g/cm3的T700碳纤维网胎针刺成厚度为12mm、密度为0.1g/cm3的平板毡，进行化学气相渗碳增密至1.4g/cm3、硬化后，进行石墨化处理，机加工得到10mm厚的微孔导气板；
化学气相渗碳增密工艺参数为：以CH4为碳源气，控制炉温为1200℃、炉压为10kPa，累计化学气相渗碳200h后出炉；
石墨化处理制度为：控制炉内气氛为氩气0.11-0.13MPa、炉温为2100℃、保温时间为2h，随炉冷却。
将制备超薄碳/碳复合材料面板的装置置于化学气相沉积炉进行化学气相渗碳增密；化学气相渗碳增密工艺参数为：以CH4为碳源气，控制炉温为1200℃、炉压为6kPa，累计化学气相渗碳200后出炉；
制备超薄碳/碳复合材料面板的装置结构组装次序为：镂空石墨+微孔导气板+超薄碳/碳复合材料坯料+微孔导气板+镂空石墨，超薄碳/碳复合材料坯料夹在两微孔导气板之间；
超薄碳/碳复合材料坯料的厚度为0.8mm，碳纤维密度为0.4g/cm3；化学气相渗碳增密后得到的超薄碳/碳复合材料面板密度为1.7g/cm3。
实施例5：
一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置中微孔导气板采用下述方案制备：
将厚度为1mm，密度为0.03g/cm3的T700碳纤维网胎针刺成厚度为5mm、密度为0.2g/cm3的平板毡，进行化学气相渗碳增密至0.9g/cm3、硬化后，进行石墨化处理，机加工得到3mm厚的微孔导气板；
化学气相渗碳增密工艺参数为：以CH4为碳源气，控制炉温为1100℃、炉压为6kPa，累计化学气相渗碳120h后出炉；
石墨化处理制度为：控制炉内气氛为氩气0.11-0.13MPa、炉温为2300℃、保温时间为2h，随炉冷却。
将制备超薄碳/碳复合材料面板的装置置于化学气相沉积炉进行化学气相渗碳增密；化学气相渗碳增密工艺参数为：以CH4为碳源气，控制炉温为1100℃、炉压为3kPa，累计化学气相渗碳380h后出炉；
制备超薄碳/碳复合材料面板的装置结构组装次序为：镂空石墨+微孔导气板+超薄碳/碳复合材料坯料+微孔导气板+镂空石墨，超薄碳/碳复合材料坯料夹在两微孔导气板之间；
超薄碳/碳复合材料坯料的厚度为0.4mm，碳纤维密度为0.6g/cm3；化学气相渗碳增密后得到的超薄碳/碳复合材料面板密度为1.9g/cm3。
实施例6：
当制备出的微孔导气板的厚度为12mm、密度为1.7g/cm3时，导气板中的微孔尺寸缩小，部分成为闭孔，不能形成有效的碳源气通道，不能将碳源气导向超薄碳/碳复合材料面板，进行化学气相增密。
实施例7：当制备出的微孔导气板的厚度为0.5mm，密度为0.1g/cm3时，导气板厚度薄，其强度不足以定型超薄碳/碳复合材料面板；加之，导气板中的微孔尺寸大，不能对碳源气形成有效的分流，不能实现超薄碳/碳复合材料面板的均匀化学气相渗碳。

Claims (8)

1.一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置，所述装置包括镂空石墨板、微孔导气板；其特征在于：将镂空石墨板、微孔导气板叠置构成一块支撑板，在两块支撑板的微孔导气板之间夹装一块超薄碳/碳复合材料坯料，用紧固件将两块支撑板紧固，构成制备超薄碳/碳复合材料面板的装置；所述微孔导气板的厚度为1-10mm，密度为0.3-1.6g/cm3，微孔导气板采用下述方案制备：
将碳纤维网胎针刺成平板毡，进行化学气相渗碳增密、硬化；然后进行石墨化处理，机加工得到微孔导气板；
针刺成的平板毡的厚度为3-12mm，密度为0.1-0.3g/cm3；
平板毡经化学气相渗碳增密至0.3-1.6g/cm3；
石墨化处理后机加工至1-10mm；
超薄碳/碳复合材料坯料的碳纤维密度为0.4-0.8g/cm3。
2.根据权利要求1所述的一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置，其特征在于：所述镂空石墨板的厚度为30-50mm，镂空面积占石墨板总面积40-60%。
3.根据权利要求1所述的一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置，其特征在于：所述碳纤维网胎为T700，其厚度为1-6mm，密度为0.01-0.03g/cm3。
4.根据权利要求1所述的一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置，其特征在于：化学气相渗碳增密工艺参数为：以CH4为碳源气，控制炉温为1000-1200℃、炉压为1-10kPa，累计化学气相渗碳5-200h后出炉。
5.根据权利要求1所述的一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置，其特征在于：石墨化处理制度为：控制炉内气氛为氩气0.11-0.13MPa、炉温为2000-2300℃、保温时间为1-2h，随炉冷却。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置，其特征在于：用紧固件将两块支撑板紧固是在镂空石墨板上设置紧固件。
7.一种制备超薄碳/碳复合材料面板的方法，是将权利要求6所述的一种制备超薄碳/碳复合材料面板的装置于化学气相沉积炉进行化学气相渗碳增密。
8.根据权利要求7所述的一种制备超薄碳/碳复合材料面板的方法，其特征在于：超薄碳/碳复合材料坯料的厚度为0.2-0.8mm；化学气相渗碳增密后得到的超薄碳/碳复合材料面板密度为1.7-2.0g/cm3。
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