背景技术
通常的在高温条件下使用的阀门是金属提升阀门,大部分的金属提升阀门是浇铸、锻造或者金属压胚机制成的。这些阀门很重,而且具有不耐高温的性质。
金属提升阀门的另外一个固有的问题是随着温度的升高它们易于失去强度,并且在一定的应力的作用下,变形量随着时间的增加而增大,也就是在短时间内有较大的变形。
通常的这些阀门采用旋转式、套式以及圆盘式的设计以克服金属提升阀不耐高温的性质,然而对于这些设计需要各零件之间紧密配合,从而达到密封阀门的目的。然而随着温度的升高,当不同材料制得的零件之间具有不同的热胀系数,这就会产生密封问题。同时由于金属提升阀门通常需要进行润滑,然而润滑油在高温的情况下易于分解,这就造成了在高温的情况下金属提升阀零件之间的擦伤以及卡死问题,使其难以进行工作。
美国专利6098579发明了一种用于内燃机或者类似物上的阀门,它是由碳纤维加强碳复合材料制得的球阀、袖阀、和闸板阀,这些阀门是由编织而成的碳纤维和模制的碳复合材料制得的,它具有低的热膨胀率,和好的耐热性和自我润滑的优点,不会出现密闭以及润滑的问题。
2006年宇航材料第4期发表了题为《碳密封材料的研究进展及其在航空航天领域的应用》一文,文中提到了增强石墨的密封件,其主要用于航空航天工业中的动密封材料。机械密封件的摩擦副和旋转接头的摩擦件用增强石墨。其中的增强石墨是用多孔石墨加以浸渍而成的。浸渍材料主要有酚醛树脂或者呋喃树脂,浸渍工艺是加压浸渍和真空浸渍,然而这篇文章并没有提到将这种增强石墨的浸渍工艺具体的工艺步骤以及完成各个工艺步骤的工艺条件。
同时这篇文章讲到了碳纤维复合材料,其中包括碳纤维-树脂(高温)浸渍的复合材料,和碳碳的复合材料。碳纤维增强树脂的复合材料具有滑动性能好,耐腐蚀的优点,适用于航空航天领域作为密闭材料。碳碳复合材料具有良好的摩擦性能和力学性能,国外将碳碳复合材料作为航空发动机轴间密闭材料,日本已经在试验将碳碳复合材料用于新型航空发动机的热交换器和气体密封件。然而对于具体的将碳碳的复合材料用于阀门的阀杆阀芯并在这篇文章中并没有提到,同时对于本发明所述的碳碳复合材料的制备工艺也没有涉及。
2006年10月在《现代化工》上发表了一篇题为《化学气相沉积碳/碳复合材料研究进展》一文,文中讲述了碳/碳复合材料化学气相沉积的工艺原理,论述了化学气相沉积热解碳机理的研究现状,介绍了不同种类的化学气相沉积工艺的特点,以及化学气相沉积工艺计算机数值模拟技术的研究进展,并提出了碳/碳复合材料化学气相沉积技术的研究方向和发展趋势。在2000年第六期《碳素技术》上公开了题为“C/C复合材料正压CVI工艺的试验探索,文中提到了如何采用化学气相渗透技术制备碳碳复合材料的方法,同样在《材料热处理学报》2005年第一期也公布了题为“《热处理温度对炭/炭复合材料性能的影响》”一文中也在制备方法部分描写了采用气相沉积的方法制备炭炭复合材料的工艺。
2006年第12期的《材料工程与科学学报》上发表了碳/碳复合材料密闭性能分析一文,文中提到了碳碳复合材料和石墨常被用作密封材料,尤其是动密封材料。但是文中并没有提到碳碳复合材料和石墨用于阀门设备,并且这篇文章中的碳碳复合材料的制备方法也与本发明中的制备方法不同。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐高温耐腐蚀高强度石墨------碳复合材料阀门。
本发明提供了一种耐高温耐腐蚀高强度石墨----碳复合材料阀门,包括阀杆和阀芯、密封圈、密封压块、阀座,其中所述的阀杆和阀芯是采用碳碳复合材料制得的,阀座采用石墨制成,石墨的比重为1.72~2.00g/cm3,最大颗粒小于0.2mm,优选的石墨比重在1.85~2.00g/cm3。
上述的阀杆和阀芯是一体的。
上述的石墨比重在优选为1.85~2.00g/cm3
上述的阀座是由比重为1.72~2.00g/cm3,最大颗粒小于0.2mm的石墨经过酚醛树脂或者聚四氟乙烯中浸渍,接着通过热固化工艺得到的石墨制成的。
最优选的阀座是由比重为1.72~2.00g/cm3,最大颗粒小于0.2mm的石墨经过酚醛树脂或者聚四氟乙烯中浸渍,接着通过热固化工艺之后,再在20~560℃碳化处理2 4~72小时后得到的石墨制成的。
上述的碳碳复合材料的抗拉强度在200℃下为160~188MPa,抗压强度为110~144MPa,比重在1.9~2.3g/cm3。
上述的碳碳复合材料是通过以下步骤制得:
(1)碳纤维经三维成型,再经CVD化学气相沉积,得到碳碳复合材料基体;
(2)接着将得到的碳碳复合材料基体在酚醛树脂或者聚四氟乙烯中浸渍,再通过热固化工艺制得到所述的碳碳复合材料。
浸渍包括以下步骤:
(1)将所述的碳碳复合材料基体或者所述的石墨放入装在酚醛树脂或聚四氟乙烯分散液的浸渍釜中,抽真空,真空度达到-0.099~0.15MPa,放置3~8小时;
(2)接着对所述的浸渍釜再加压1.0~2.0MPa,保持6~10小时。
热固化工艺包括以下步骤完成:
(1)将浸渍过的碳碳复合材料基体或石墨移至热处理釜,将釜内压力控制在1.0MPa,釜内温度为100℃~380℃,热处理20~45小时;
(2)接着将所述的处理釜温度降至常温,压力降低至常压,待釜内的碳碳复合材料基体或石墨冷却后,从釜内取出。
密封压块是由碳碳复合材料制得。
密封圈是由碳纤维复合材料制得。
由于本发明的阀门阀座采用了石墨或者经浸渍和热固化工艺处理的石墨,阀杆阀芯采用CVD化学热沉积的方法,将碳沉积在碳纤维上,所以本发明的阀门阀座具有自润滑性,并且成本低于其他材料制得的阀门阀座,同时本发明的阀门具有良好的耐腐蚀性,可耐任意浓度的草酸、脂肪酸、亚硫酸、油酸、蚁酸、乳酸、柠檬酸、酒石酸、硼酸、亚硝酸和盐酸,还可以耐5%浓度的硝酸、80%浓度以下的硫酸,小于80%浓度的磷酸、60%浓度以下的氢氟酸和任意浓度的氢溴酸以及醋酸的腐蚀;同时还可以耐碱类物质的腐蚀,其中包括10%浓度的氢氧化钠或氢氧化钾,任意浓度的氨水或者乙醇胺;本发明的阀门还可耐盐类溶液的腐蚀,其中包括任意浓度的硫酸钠、硫酸氢钠、硫酸镍、硫酸锌、硫酸铝、硫氢化铵、氯化铝、氯化胺、氯化亚铁、氯化锡、磷酸铵、硝酸钠、硫代硫酸钠、硫酸铜以及20%的高锰酸钾,除此之外,阀门还可以耐卤素的腐蚀。
采用本发明的材料制得的阀杆阀芯,它的机械强度大于现有材料制得的阀杆阀芯,可以在球阀、蝶阀、截止阀、闸板阀上使用,并且可以作旋转运动,也可以进行上下运动来达到阀门的开关和调节流量的目的。
具体实施方式
实施例1
参照图1按照本发明技术方案制得的截止阀,包括高强固定螺帽1、阀座2、阀体通孔3、密封压块4、密封圈5、阀杆阀芯6、高强固定螺杆7,其中的阀座采用石墨制得,阀杆阀芯是一体的,采用碳碳复合材料制得,上述的密封压块是由碳碳的复合材料制得,上述的密封圈是由碳纤维复合材料制得。
制作阀座的石墨采用比重为1.72,最大颗粒为0.2毫米的石墨,
所述的碳碳复合材料料的抗拉强度在200℃下为160MPa,抗压强度为144MPA,比重为1.9g/cm3。
它是通过以下方法制备得到的:(1)碳纤维经三维成型,再经CVD化学气相沉积,得到碳碳复合材料基体;(气相沉积的方法可以参考背景技术中的《化学气相沉积碳/碳复合材料研究进展》)
(2)接着将得到的碳碳复合材料基体在酚醛树脂或者聚四氟乙烯中浸渍,再通过热固化工艺制得到所述的碳碳复合材料。其中的浸渍工艺和热固化工艺如下:
处理方法为:
(1)浸渍工艺:将上述的碳碳复合材料基体放入装在酚醛树脂或聚四氟乙烯分散液的浸渍釜中,抽真空,真空度达到-0.099MPa,放置5小时,接着对所述浸渍釜再加压1.0MPa,保持8小时。
(2)热固化工艺:将浸渍过的碳碳复合材料基体移至热处理釜,将釜内压力控制在1.0MPa,釜内温度为100℃,热处理45小时;接着将所述的处理釜温度降至 常温,压力降低至常压,待釜内的碳碳复合材料基体冷却后,将其从釜内取出。
实施例2
参照图2按照本发明技术方案制得的球阀,包括高强固定螺帽1、阀座2、阀体通孔3、密封压块4、密封圈5、阀杆阀芯6、高强固定螺杆7,其中的阀座采用石墨制得,阀杆阀芯是一体的,采用碳碳复合材料制得。上述的密封压块是由碳碳的复合材料制得,上述的密封圈是由碳纤维复合材料制得。
制作阀座的石墨可以采用比重为1.80,最大颗粒为0.1毫米的石墨,采用下述方法处理得到的石墨。
处理方法为:
(1)浸渍工艺:将上述的石墨放入装在酚醛树脂或聚四氟乙烯分散液的浸渍釜中,抽真空,真空度达到-0.1MPa,放置3小时,接着对所述浸渍釜再加压1.5MPa,保持10小时。
(2)热固化工艺:将浸渍过的石墨移至热处理釜,将釜内压力控制在0.8MPa,釜内温度为380℃,热处理20小时;接着将所述的处理釜温度降至常温,压力降低至常压,待釜内的石墨冷却后,将其从釜内取出。
(3)碳化工艺:在560℃碳化处理24小时后得到的石墨。
所述的碳碳复合材料料的抗拉强度在200℃下为188MPa,抗压强度为110MPa,比重在2.3g/cm3。
它是通过以下方法制备得到的:(1)碳纤维经三维成型,再经CVD化学气相沉积,得到碳碳复合材料基体;(气相沉积的方法可以参考背景技术中的《化学气相沉积碳/碳复合材料研究进展》)
(2)接着将得到的碳碳复合材料基体经过浸渍工艺和热处理工艺得到碳碳复合材料。
上述的浸渍工艺为:
a)将上述的碳碳复合材料基体放入装在酚醛树脂或聚四氟乙烯分散液的浸渍釜中,抽真空,真空度达到-0.15MPa,放置5小时,接着对所述浸渍釜再加压2.0MPa,保持6小时。
(2)热固化工艺:将浸渍过的碳碳复合材料基体移至热处理釜,将釜内压力控制在1.2MPa,釜内温度为250℃,热处理35小时;接着将所述的处理釜温度降至常 温,压力降低至常压,待釜内的石墨冷却后,将其从釜内取出。
实施例3
参照图3按照本发明技术方案制得的球阀,包括阀座1、阀体通孔2、阀杆阀芯3、密封圈4、密封压块5,其中的阀座采用石墨制得,阀杆阀芯是一体的,采用碳碳复合材料制得。上述的密封压块是由碳碳的复合材料制得,上述的密封圈是由碳纤维复合材料制得。
制作阀座的石墨可以采用比重为1.85,最大颗粒为0.15毫米的石墨,采用下述方法处理得到的石墨。
处理方法为:
(1)浸渍工艺:将上述的石墨放入装在酚醛树脂或聚四氟乙烯分散液的浸渍釜中,抽真空,真空度达到-0.12MPa,放置4小时,接着对所述浸渍釜再加压1.8MPa,保持9小时。
(2)热固化工艺:将浸渍过的石墨移至热处理釜,将釜内压力控制在1.1MPa,釜内温度为250℃,热处理32小时;接着将所述的处理釜温度降至常温,压力降低至常压,待釜内的石墨冷却后,将其从釜内取出。
(3)碳化工艺:在560℃碳化处理24小时后得到的石墨。
所述的碳碳复合材料料的抗拉强度在200℃下为188MPa,抗压强度为110MPa,比重在2.1g/cm3。
它是通过以下方法制备得到的:(1)碳纤维经三维成型,再经CVD化学气相沉积,得到碳纤维基体;(气相沉积的方法可以参考背景技术中的《化学气相沉积碳/碳复合材料研究进展》)
(2)接着将得到的碳纤维基体在酚醛树脂或者聚四氟乙烯中浸渍,再通过热固化工艺制得到所述的碳碳复合材料。其中的浸渍工艺和热固化工艺同上述石墨的浸渍和热固化工艺。
实施例4
参照图4按照本发明技术方案制得的闸片阀,包括阀座1、阀体通孔2、阀杆阀芯3、密封圈4、密封压块5,其中的阀座采用石墨制得,阀杆阀芯是螺纹连接为一体的,采用碳碳复合材料制得。
制作阀座的石墨可以采用比重为1.90,最大颗粒为0.18毫米的石墨,采用下述方法处理得到的石墨。
处理方法为:
(1)浸渍工艺:将上述的石墨放入装在酚醛树脂或聚四氟乙烯分散液的浸渍釜中,抽真空,真空度达到-0.14MPa,放置6小时,接着对所述浸渍釜再加压1.2MPa,保持7小时。
(2)热固化工艺:将浸渍过的石墨移至热处理釜,将釜内压力控制在0.9MPa,釜内温度为150℃,热处理25小时;接着将所述的处理釜温度降至常温,压力降低至常压,待釜内的石墨冷却后,将其从釜内取出。
(3)碳化工艺:在20℃碳化处理72小时后得到的石墨。
所述的碳碳复合材料料的抗拉强度在200℃下为165MPa,抗压强度为140MPA,比重在2.2g/cm3。
它是通过以下方法制备得到的:(1)碳纤维经三维成型,再经CVD化学气相沉积,得到碳纤维基体;(气相沉积的方法可以参考背景技术中的《化学气相沉积碳/碳复合材料研究进展》)
(2)接着将得到的碳纤维基体在酚醛树脂或者聚四氟乙烯中浸渍,再通过热固化工艺制得到所述的碳碳复合材料。其中的浸渍工艺和热固化工艺同上述石墨的浸渍和热固化工艺。