CN101050347A - 一种炭/炭密封材料的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种炭/炭密封材料的制造方法。其特点在于：采用针刺工艺制取准三维结构预制体；将预制体置于负压定向流气相沉积炉内，采用等温化学气相渗透致密工艺，形成热解炭基体；在真空－压力浸渍罐内，浸渍糠酮树脂或酚醛树脂，经固化处理及炭化处理；再在真空－压力浸渍罐浸渍沥青，并在热等静压机中炭化处理；经过高温热处理和树脂浸渍封孔，形成炭/炭密封材料。本发明制造的炭/炭密封材料具有高的力学性能、良好的密封性能和可靠性，克服了石墨密封材料的脆性、裂纹敏感性。该方法制造的密封材料结构细密，适于制作薄的密封环，同时作为一种高性能密封材料，有望在高性能密封领域得到拓展应用。

Description

一种炭/炭密封材料的制造方法
技术领域
本发明涉及一种炭/炭密封材料的制造方法，特别是涉及一种用于液体火箭发动机涡轮泵密封的炭/炭材料的制造方法。
背景技术
液体火箭发动机涡轮泵密封材料种类广泛，石墨是最常用的。俄罗斯航空航天用密封材料为各向同性热解石墨，热解石墨用作密封材料，其特点是透气性系数较小。美国CDJ-83、P5N石墨具有高的肖氏硬度、压缩强度，是抗磨性能良好的材料，在J-2、H-1发动机中得到应用。法国的5890P石墨是一种优质耐磨密封材料，首先在法国的HM7氢氧发动机得到成功应用，以后又陆续用于其它型号(阿里亚娜系列)氢氧发动机涡轮密封。在国内，液体火箭发动机涡轮泵密封材料也多用石墨，如M213TF、M201F石墨用于长三甲、长三乙、长三丙运载火箭的轴端密封。
我国120吨大推力级高压补燃液氧/煤油发动机技术的出现，对涡轮泵用密封材料提出了更高的要求，要求材料具有更高的强度、更好的密封性能与可靠性。由于石墨材料固有的脆性、裂纹敏感性等缺点使纯石墨密封圈在液氧/煤油发动机冷试中存在崩裂现象，可靠性不高，炭/炭复合材料除具有石墨优异的热性能外，相比于石墨更韧更强，且具有复合材料的可设计性，是火箭发动机涡轮泵高性能密封材料发展的方向。43所研制了一种高性能C/C密封材料，并在液氧/煤油发动机中得到实际应用。该材料具有高的性能，有望在高性能密封领域得到拓展应用。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种针刺结构炭/炭密封材料的制造方法。采用该方法制造的C/C材料，由于采用准三维针刺预制体，材料具有高的力学性能和可靠性，克服了石墨密封材料的脆性、裂纹敏感性。同时采用混合致密工艺及封孔工艺，为材料具有高的密度和低的渗透性提供保证。该方法制造的密封材料结构细密，适于制作薄的密封环。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种炭/炭密封材料的制造方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
(1)采用针刺工艺制取准三维结构预制体；
(2)将步骤(1)中的准三维结构预制体置于负压定向流沉积炉内，采用等温化学气相渗透致密工艺，经300-1000小时形成热解炭基体；
(3)将步骤(2)中的含热解炭基体的炭/炭坯体在真空-压力浸渍罐内，浸渍糠酮或酚醛树脂，然后经固化、炭化处理，形成树脂炭基体；
(4)将步骤(3)中的含热解炭和树脂炭基体的炭/炭坯体在真空-压力浸渍罐内，浸渍沥青，然后在热等静压机中炭化处理，形成沥青炭基体；
(5)将步骤(4)中的含热解炭、树脂炭和沥青炭基体的炭/炭坯体进行热处理；
(6)将步骤(5)中经过热处理的混合炭基体炭/炭坯体采用糠酮或酚醛树脂浸渍封孔，制成炭/炭密封材料。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)采用针刺准三维预制体，可保证材料具有高的力学性能和可靠性。
(2)针刺预制体材料沿水平方向纤维含量高，提高了材料的摩擦磨损性能，降低了材料的热膨胀系数，提高了材料的导热性能。
(3)针刺预制体材料组织结构细密，适于制作薄的密封环。
(4)采用等温化学气相渗透工艺致密炭/炭密封材料，形成摩擦性能良好的热解炭基体，提高材料的摩擦磨损性能。
(5)采用树脂浸渍工艺致密炭/炭密封材料，形成不可渗透的树脂炭基体，提高材料的密封性能。
(6)采用等温化学气相渗透工艺、树脂浸渍工艺和沥青浸渍-高压炭化混合工艺致密炭/炭密封材料，可以有效提高材料密度，从而保证材料的力学性能和密封性能。
(7)采用树脂浸渍封孔，有效降低了材料的开口气孔率。
附图说明
图1为本发明制备的炭/炭密封材料的示意图。
具体实施方式
实施例1
(1)采用无纬布与炭纤维网胎交替铺层，相邻层间呈0°、90°，形成X-Y向炭纤维，采用针刺工艺引入Z向纤维，形成准三维结构预制体。
(2)将步骤(1)中的准三维结构预制体装入负压定向流气相沉积炉内，采取等温化学气相渗透致密工艺，其温度为800℃-1000℃，炉内压力为10KPa，碳源气体(C3H6)的流量为1500L/h，经500小时致密化处理，形成热解炭基体。
(3)将步骤(2)中的含热解炭基体的炭/炭坯体在真空-压力浸渍罐内浸渍酚醛树脂，负压为5KPa，浸渍温度为80℃，加正压3.0MPa，并经固化、炭化处理，形成树脂炭基体。
(4)将步骤(3)中的含热解炭和树脂炭基体的炭/炭坯体在真空-压力浸渍罐内，浸渍沥青，然后在热等静压机中炭化处理，炭化压力10MPa，炭化温度700℃，形成沥青炭基体。
(5)将步骤(4)中的含热解炭、树脂炭和沥青炭基体的炭/炭坯体置于石墨化炉中，其温度为2000℃，保温2小时。
(6)将步骤(5)中经过热处理的混合炭基体炭/炭坯体采用酚醛树脂浸渍封孔，制成图1所示的炭/炭密封材料。
实施例2
(1)采用无纬布与炭纤维网胎交替铺层，相邻层间夹角呈0°、60°、120°，3层为一个周期，形成X-Y向炭纤维，采用针刺工艺引入Z向纤维，形成准三维结构预制体。
(2)将步骤(1)中的准三维结构预制体装入负压定向流气相沉积炉内，采取等温化学气相渗透致密工艺，其温度为900℃-1100℃，炉内压力为5KPa，碳源气体(C3H6)的流量为1000L/h，经700小时致密化处理，形成热解炭基体。
(3)将步骤(2)中的含热解炭基体的炭/炭坯体在真空-压力浸渍罐内浸渍酚醛树脂，负压为8KPa，浸渍温度为80℃，加正压1.0MPa，并经固化、炭化处理，形成树脂炭基体。
(4)将步骤(3)中的含热解炭和树脂炭基体的炭/炭坯体在真空-压力浸渍罐内，浸渍沥青，然后在热等静压机中炭化处理，炭化压力50MPa，炭化温度1000℃，形成沥青炭基体。
(5)将步骤(4)中的含热解炭、树脂炭和沥青炭基体的炭/炭坯体置于石墨化炉中，其温度为2300℃，保温1小时。
(6)将步骤(5)中经过热处理的混合炭基体炭/炭坯体采用酚醛树脂浸渍封孔，制成图1所示的炭/炭密封材料。
实施例3
(1)采用5枚炭布与炭纤维网胎交替铺层，相邻层间呈0°、90°，形成X-Y向炭纤维，采用针刺工艺引入Z向纤维，形成准三维结构预制体。
(2)将步骤(1)中的准三维结构预制体装入负压定向流气相沉积炉内，采取等温化学气相渗透致密工艺，其温度为950℃-1200℃，炉内压力为10KPa，碳源气体(C3H6)的流量为2000L/h，经400小时致密化处理，形成热解炭基体。
(3)将步骤(2)中的含热解炭基体的炭/炭坯体在真空-压力浸渍罐内浸渍糠酮树脂，负压为12KPa，浸渍温度为90℃，加正压1.5MPa，并经固化、炭化处理，形成树脂炭基体。
(4)将步骤(3)中的含热解炭和树脂炭基体的炭/炭坯体在真空-压力浸渍罐内，浸渍沥青，然后在热等静压机中炭化处理，炭化压力5MPa，炭化温度800℃，形成沥青炭基体。
(5)将步骤(4)中的含热解炭、树脂炭和沥青炭基体的炭/炭坯体置于石墨化炉中，其温度为2000℃，保温1.5小时。
(6)将步骤(5)中经过热处理的混合炭基体炭/炭坯体采用糠酮树脂浸渍封孔，制成图1所示的炭/炭密封材料。
化学气相渗透致密工艺是把坯体放入炉体的等温空间内，在一定的压力下，让碳氢气体不断地从坯体表面流过，完全通过扩散作用进入坯体内部。

Claims (6)

1、一种炭/炭密封材料的制造方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
(1)采用针刺工艺制取准三维结构预制体；
(2)将步骤(1)中的准三维结构预制体置于负压定向流沉积炉内，采用等温化学气相渗透致密工艺，经300-1000小时形成热解炭基体；
(3)将步骤(2)中的含热解炭基体的炭/炭坯体在真空-压力浸渍罐内，浸渍糠酮或酚醛树脂，然后经固化、炭化处理，形成树脂炭基体；
(4)将步骤(3)中的含热解炭和树脂炭基体的炭/炭坯体在真空-压力浸渍罐内，浸渍沥青，然后在热等静压机中炭化处理，形成沥青炭基体；
(5)将步骤(4)中的含热解炭、树脂炭和沥青炭基体的炭/炭坯体进行热处理；
(6)将步骤(5)中经过热处理的混合炭基体炭/炭坯体采用糠酮或酚醛树脂浸渍封孔，制成炭/炭密封材料。
2、根据权利要求1所述的一种炭/炭密封材料的制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中采用针刺工艺制取准三维预制体，是指采用炭布或无纬布与炭纤维网胎交替铺层，相邻层间呈一定角度，形成X-Y向炭纤维，采用针刺工艺引入Z向纤维，形成准三维结构预制体。
3、根据权利要求1所述的一种炭/炭密封材料的制造方法，其特征在于：所述步骤(2)中等温化学气相渗透致密工艺控制温度为700℃-1200℃；炉内压力为2Kpa-20KPa。
4、根据权利要求1所述的一种炭/炭密封材料的制造方法，其特征在于：所述步骤(3)中在真空-压力浸渍罐内浸渍的负压为5Kpa-20KPa，温度为30℃-120℃，正压为1.0Mpa-4.0MPa，炭化温度为550℃-1200℃。
5、根据权利要求1所述的一种炭/炭密封材料的制造方法，其特征在于：所述步骤(4)中热等静压机中炭化压力为1MPa-90MPa，炭化温度为550℃-1100℃。
6、根据权利要求1所述的一种炭/炭密封材料的制造方法，其特征在于：所述步骤(5)中热处理温度为1800℃-3000℃。
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