CN109279908B - 一种制备超薄碳/碳复合材料面板的夹具 - Google Patents

一种制备超薄碳/碳复合材料面板的夹具 Download PDF

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Abstract

一种制备超薄碳/碳复合材料面板的夹具，所述夹具包括镂空石墨板、微孔导气板；所述夹具是将镂空石墨板、微孔导气板、厚度为0.2‑0.8mm的超薄碳/碳复合材料坯料、微孔导气板、镂空石墨板依次叠置，对处于两侧的镂空石墨板沿叠置方向夹紧。本发明的夹具结构简单合理，可在镂空石墨板与超薄碳/碳复合材料坯料之间构建碳源气的有效通道，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/碳复合材料面板的夹具
技术领域
本发明公开了一种制备超薄碳/碳复合材料面板的夹具，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/碳复合材料面板的夹具及超薄碳/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/碳复合材料面板的夹具。本发明的夹具结构合理、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，采用本发明的夹具进行化学气相沉积，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/碳复合材料面板的夹具，所述夹具包括镂空石墨板、微孔导气板；所述夹具是将镂空石墨板、微孔导气板、厚度为0.2-0.8mm的超薄碳/碳复合材料坯料、微孔导气板、镂空石墨板依次叠置，对处于两侧的镂空石墨板沿叠置方向夹紧。
本发明一种制备超薄碳/碳复合材料面板的夹具，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/碳复合材料面板的夹具，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/碳复合材料面板的夹具，对处于两侧的镂空石墨板沿叠置方向夹紧是用紧固件将两侧的镂空石墨板紧固；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/碳复合材料面板的夹具，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/碳复合材料面板的夹具，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/碳复合材料面板的夹具，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/碳复合材料面板的夹具，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。
采用本发明一种制备超薄碳/碳复合材料面板的夹具，通过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，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；
其中：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/碳复合材料面板的夹具，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/碳复合材料面板的夹具，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/碳复合材料面板的夹具，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，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/碳复合材料面板的夹具，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为本发明制备超薄碳/碳复合材料面板的夹具的装配图；
附图2为本发明微孔导气板的制备工艺流程图；
图1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/碳复合材料面板的夹具，所述夹具是将镂空石墨板1、微孔导气板2、超薄碳/碳复合材料坯料3、微孔导气板2、镂空石墨板1依次叠置，对处于两侧的镂空石墨板沿叠置方向夹紧；
所述镂空石墨板1的厚度为30mm，镂空面积占石墨板总面积50％；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；
用螺栓穿过设于镂空石墨板上的螺栓孔，用螺母进行紧固。
所述微孔导气板2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/碳复合材料面板的夹具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/碳复合材料面板的夹具结构组装次序为：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；
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2：
本实施例与实施例1的区别是所述镂空石墨板1的厚度为35mm，镂空面积占石墨板总面积60％；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；
其微孔导气板2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/碳复合材料面板的夹具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；
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3：
本实施例与实施例1的区别是所述镂空石墨板1的厚度为40mm，镂空面积占石墨板总面积55％；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；
夹具中微孔导气板2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/碳复合材料面板的夹具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；
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4：
本实施例与实施例1的区别是所述镂空石墨板1的厚度为45mm，镂空面积占石墨板总面积50％；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；
夹具中微孔导气板2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/碳复合材料面板的夹具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；
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5：
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6：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 (9)

1.一种制备超薄碳/碳复合材料面板的夹具，所述夹具包括镂空石墨板、微孔导气板；其特征在于：所述夹具是将镂空石墨板、微孔导气板、厚度为0.2-0.8mm的超薄碳/碳复合材料坯料、微孔导气板、镂空石墨板依次叠置，对处于两侧的镂空石墨板沿叠置方向夹紧；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。
2.根据权利要求1所述的一种制备超薄碳/碳复合材料面板的夹具，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/碳复合材料面板的夹具，其特征在于：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。
4.根据权利要求3所述的一种制备超薄碳/碳复合材料面板的夹具，其特征在于：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。
5.根据权利要求3所述的一种制备超薄碳/碳复合材料面板的夹具，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。
6.根据权利要求3所述的一种制备超薄碳/碳复合材料面板的夹具，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。
7.根据权利要求3所述的一种制备超薄碳/碳复合材料面板的夹具，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。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种制备超薄碳/碳复合材料面板的夹具，其特征在于：对处于两侧的镂空石墨板沿叠置方向夹紧是用紧固件将两侧的镂空石墨板紧固。
9.根据权利要求8所述的一种制备超薄碳/碳复合材料面板的夹具，其特征在于：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。
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