CN101445376B - 一种高温炉用炭/炭复合材料圆筒的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温炉用炭/炭复合材料圆筒的制备方法，是将炭纤维布经过浸胶机浸渍高温酚醛树脂后，制得炭纤维胶布；通过张力控制器控制炭纤维胶布的缠绕张力，制品缠绕完成后对缠绕制品进行加压固化；炭化处理制品；根据炭化后制品的密度选择性地进行补增密；根据高温炉的使用条件，对制品进行高温处理，调整制品的综合性能；最后根据图纸对制品进行机械加工，得到高温炉用炭/炭复合材料圆筒产品。本发明由于采用炭布叠层缠绕加压固化等工艺，制得的炭/炭复合材料圆筒最终密度≥1.25g/cm3，平面抗拉强度高，尺寸基本不受限制，厚度方向不需机加，具有优越的性价比优势，可显著降低高温炉用炭/炭圆筒制件的成本，工艺一致性好，实施性强。
Description
技术领域
本发明属于高温炉用热场材料技术领域，具体涉及一种高温炉用炭/炭复合材料圆筒的制备方法。
背景技术
高温炉作为粉末冶金等传统工业领域、新材料新能源领域及国防工业中不可或缺的设备，得到了广泛的应用。高温炉要求其热场材料具有功能和结构双重功效，其热场材料也逐步由石墨转向炭/炭复合材料。在美国专利US04275493A和日本专利JP2000086382、JP03015521、JP03015522中均提到了圆筒制件的炭布或炭纤维缠绕技术方案，但大尺寸圆筒制件，尤其是大尺寸炭/炭复合材料圆筒的解决方案未见相关讨论，在西安超码科技有限公司专利ZL200610043184.5、ZL200610043187.9中提出炭/炭复合材料圆筒件的制备方法以炭纤维针刺结构为预制件，但具有效率低、致密周期长、材料浪费严重、成本高且不可连续化作业等不利因素，致使其价格昂贵。
因此，大型高温炉专用设备，其采用的大尺寸炭/炭复合材料圆筒制件因此急需一种工艺简单、低成本、价格低廉的制备方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种工艺简单、低成本、价格低廉的高温炉用炭/炭复合材料圆筒的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种高温炉用炭/炭复合材料圆筒的制备方法，其特征在于制备过程为：
(1)炭纤维布经过浸胶机浸渍树脂后，通过张力控制器将浸渍树脂后制得的炭纤维胶布缠绕于金属圆筒工装上，在固化炉内对缠绕于金属圆筒工装上的炭纤维胶布进行加压固化处理，固化脱模后，去除毛边，制成炭/树脂复合材料圆筒制品；
(2)将步骤(1)中的炭/树脂复合材料圆筒制品置于炭化炉中进行N2保护下的炭化处理，将所述树脂转化成树脂炭，使炭/树脂复合材料圆筒制品转变成炭/炭复合材料圆筒制品；
(3)当步骤(2)中炭化后的炭/炭复合材料圆筒制品密度＜1.28g/cm3时，将所述炭/炭复合材料圆筒制品进行补增密处理；
(4)将步骤(3)中补增密完或步骤(2)中炭化完且其密度≥1.28g/cm3的炭/炭复合材料圆筒制品在高温处理炉中进行高温处理，所述高温处理的温度为1300～2600℃；
(5)将步骤(4)中经高温处理后的炭/炭复合材料圆筒制品经机械加工后即制成高温炉用炭/炭复合材料圆筒。
上述步骤(1)中所述炭布编织所用炭纤维为粘胶丝基、沥青基或聚丙烯腈基炭纤维，炭纤维布类型为平纹、斜纹或缎纹，所述炭纤维丝束为3～24K，采用耐高温酚醛树脂浸渍炭布，炭纤维胶布中含胶量按重量百分比计控制在20～60％，所述缠绕为连续化缠绕作业，张力控制器的张力控制在炭纤维布强力的0.1～10％，其中K代表丝束千根数。
上述步骤(1)中所述加压方式为外缠胶带或收缩带法、真空袋成型法或真空袋-热压罐成型法；其中，采用外缠胶带或收缩带法时，张力控制器的张力控制在胶带或收缩带强力的0.05～5％，采用真空袋成型法或真空袋-热压罐成型法时，真空袋或真空袋-热压罐的压力为-0.1～3.0MPa。
上述步骤(1)中所述固化处理制度为：所述固化炉内的温度以10-300℃/小时的升温速率从室温升温至60-90℃，保温1-5小时，再以10-300℃/小时的升温速率升温至100-150℃，保温1-10小时，再以10-300℃/小时的升温速率升温至150-220℃，保温1-10小时，然后冷却至温度低于70℃，出炉。
上述步骤(2)中炭化后的炭/炭复合材料圆筒制品的密度≥1.05g/cm3，所述炭化处理的制度为：所述炭化炉内的温度以10-300℃/小时的升温速率从室温升温至150-220。℃，再以2-80℃/小时的升温速率升温至300-600℃，然后以2-100℃/小时的升温速率升温至600-1000℃。
上述步骤(3)中补增密处理的方式为树脂或沥青浸渍-炭化、化学气相渗透或二者的结合三种增密方式，其中，树脂或沥青浸渍-炭化分为：(a)树脂真空浸渍-炭化，浸渍压力≤-0.080Mpa；(b)沥青真空浸渍-炭化，浸渍压力≤-0.080Mpa；(c)树脂压力浸渍-固化/炭化，浸渍、固化压力为0.3～5Mpa；(d)沥青压力浸渍-炭化，浸渍压力为0.3～5Mpa，炭化压力30～100Mpa；化学气相渗透的沉积温度为800～1200℃，补增密后炭/炭复合材料圆筒制品的密度≥1.28g/cm3。
上述步骤(4)中高温处理的时间为1～10小时，高温处理后炭/炭复合材料圆筒制品的密度≥1.25g/cm3。
上述步骤(5)中制得的高温炉用炭/炭复合材料圆筒的尺寸为：直径≤Ф1900mm×高≤3000mm×壁厚(1～20)mm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)采用浸胶机浸渍树脂、缠绕、固化、炭化、补增密和高温处理等工序，降低了生产成本，缩短了生产周期，可在1～2月内提供批量产品；
(3)根据高温炉的技术条件，采用1300～2600℃范围内合适的温度高温处理，可得到满足不同技术条件的系列化产品；
(4)本发明制备的产品的尺寸大、范围广，产品直径≤Ф1900mm，高≤3000mm，壁厚为1～20mm。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
实施例1
(1)3K粘胶丝基平纹炭布经浸胶机浸渍树脂，含胶量为20wt％左右；通过张力控制器控制缠绕张力为2％炭纤维强力，将炭布缠绕于钢质圆筒工装上；通过外缠胶带法施加外压，其张力控制在胶带强力的3％左右，最高固化温度为150℃左右，制成密度为1.20g/cm3的炭/树脂复合材料圆筒制件，其中K代表丝束千根数；
(2)将炭/树脂复合材料圆筒制件置于炭化炉中进行N2保护下的炭化处理，其温度为600℃，将树脂基体转化成树脂炭，使炭/树脂复合材料转变成炭/炭复合材料制品，密度为1.05g/cm3；
(3)将炭化完的炭/炭制品经过1次沥青压力浸渍-炭化补增密和1次化学气相渗透CVI增密，补增密后制件的密度为1.38g/cm3；
(4)将补增密完的炭/炭制品置于高温处理炉中，其高温处理温度为1300℃，保温1小时，其制品密度为1.35g/cm3；
(5)高温处理后的炭/炭制品经机械加工后，产品的尺寸为：直径Ф500mm×高300mm×壁厚1mm，测试其抗拉强度可达145MPa。
实施例2
(1)12K沥青基斜纹炭布经浸胶机浸渍树脂，含胶量为45wt％左右；通过张力控制器控制缠绕张力为6％炭纤维强力，将炭布缠绕于钢质圆筒工装上；通过真空袋法固化成型，最高固化温度为180℃左右，制成密度为1.35g/cm3的炭/树脂复合材料圆筒制件，其中K代表丝束千根数；
(2)将炭/树脂复合材料圆筒制件置于炭化炉中进行N2保护下的炭化处理，其温度为800℃，将树脂基体转化成树脂炭，使炭/树脂复合材料转变成炭/炭复合材料制品，密度为1.15g/cm3；
(3)将炭化完的炭/炭制品经过1次树脂真空浸渍/炭化补增密，补增密后制件的密度为1.28g/cm3；
(4)将补增密完的炭/炭制品在高温处理炉置于高温处理炉中，其温度为1950℃，保温3小时，其制品密度为1.25g/cm3；
(5)高温处理后的炭/炭制品经机械加工后，产品的尺寸为：直径Ф1200mm×高1400mm×壁厚10mm，测试其抗拉强度可达116MPa。
实施例3
(1)24K聚丙烯腈基缎纹炭布经浸胶机浸渍树脂，含胶量为60wt％左右；通过张力控制器控制缠绕张力为10％炭纤维强力，将炭布缠绕于钢质圆筒工装上；通过真空袋-热压罐法固化成型，最高固化温度为220℃左右，固化压力为1.2MPa，制成密度为1.47g/cm3的炭/树脂复合材料圆筒制件；
(2)将炭/树脂复合材料圆筒制件置于炭化炉中进行N2保护下的炭化处理，其温度为1000℃，将树脂基体转化成树脂炭，使炭/树脂复合材料转变成炭/炭复合材料制品，密度为1.35g/cm3，其中K代表丝束千根数；
(3)将炭化完的炭/炭制品置于高温处理炉中，其温度为2600℃，保温5小时，其制品密度为1.31g/cm3；
(4)高温处理后的炭/炭制品经机械加工后，产品的尺寸为：直径Ф1900mm×高3000mm×壁厚20mm，测试其抗拉强度可达75MPa。
本发明方法由于采用炭布叠层缠绕加压固化等工艺，制得的炭/炭复合材料圆筒具备一系列的优势，如平面内的抗拉强度较高，尺寸基本不受限制，厚度方向不需机加，具有优越的性价比优势。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (7)
1.一种高温炉用炭/炭复合材料圆筒的制备方法，其特征在于制备过程为：
(1)炭纤维布经过浸胶机浸渍树脂后，通过张力控制器将浸渍树脂后制得的炭纤维胶布缠绕于金属圆筒工装上，在固化炉内对缠绕于金属圆筒工装上的炭纤维胶布进行加压固化处理，固化脱模后，去除毛边，制成炭/树脂复合材料圆筒制品；所述固化处理制度为：所述固化炉内的温度以10-300℃/小时的升温速率从室温升温至60-90℃，保温1-5小时，再以10-300℃/小时的升温速率升温至100-150℃，保温1-10小时，再以10-300℃/小时的升温速率升温至150-220℃，保温1-10小时，然后冷却至温度低于70℃，出炉；
(2)将步骤(1)中的炭/树脂复合材料圆筒制品置于炭化炉中进行N2保护下的炭化处理，将所述树脂转化成树脂炭，使炭/树脂复合材料圆筒制品转变成炭/炭复合材料圆筒制品；
(3)当步骤(2)中炭化后的炭/炭复合材料圆筒制品密度＜1.28g/cm3时，将所述炭/炭复合材料圆筒制品进行补增密处理；
(4)将步骤(3)中补增密完或步骤(2)中炭化完且其密度≥1.28g/cm3的炭/炭复合材料圆筒制品在高温处理炉中进行高温处理，所述高温处理的温度为1300～2600℃；
(5)将步骤(4)中经高温处理后的炭/炭复合材料圆筒制品经机械加工后即制成高温炉用炭/炭复合材料圆筒。
2.按照权利要求1所述的一种高温炉用炭/炭复合材料圆筒的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述炭纤维布编织所用炭纤维为粘胶丝基、沥青基或聚丙烯腈基炭纤维，炭纤维布类型为平纹、斜纹或缎纹，所述炭纤维丝束为3～24K，采用耐高温酚醛树脂浸渍炭布，炭纤维胶布中含胶量按重量百分比计控制在20～60％，所述缠绕为连续化缠绕作业，张力控制器的张力控制在炭纤维布强力的0.1～10％，其中K代表丝束千根数。
3.按照权利要求1所述的一种高温炉用炭/炭复合材料圆筒的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述加压方式为外缠胶带或收缩带法、真空袋成型法或真空袋-热压罐成型法；其中，采用外缠胶带或收缩带法时，张力控制器的张力控制在胶带或收缩带强力的0.05～5％，采用真空袋成型法或真空袋-热压罐成型法时，真空袋或真空袋-热压罐的压力为-0.1～3.0MPa。
4.按照权利要求1所述的一种高温炉用炭/炭复合材料圆筒的制备方法，其特征在于：步骤(2)中炭化后的炭/炭复合材料圆筒制品的密度≥1.05g/cm3，所述炭化处理的制度为：所述炭化炉内的温度以10-300℃/小时的升温速率从室温升温至150-220℃，再以2-80℃/小时的升温速率升温至300-600℃，然后以2-100℃/小时的升温速率升温至600-1000℃。
5.按照权利要求1所述的一种高温炉用炭/炭复合材料圆筒的制备方法，其特征在于：步骤(3)中补增密处理的方式为树脂或沥青浸渍-炭化、化学气相渗透或二者的结合三种增密方式，其中，树脂或沥青浸渍-炭化分为：(a)树脂真空浸渍-炭化，浸渍压力≤-0.080Mpa；(b)沥青真空浸渍-炭化，浸渍压力≤-0.080Mpa；(c)树脂压力浸渍-固化/炭化，浸渍、固化压力为0.3～5Mpa；(d)沥青压力浸渍-炭化，浸渍压力为0.3～5Mpa，炭化压力30～100Mpa；化学气相渗透的沉积温度为800～1200℃，补增密后炭/炭复合材料圆筒制品的密度≥1.28g/cm3。
6.按照权利要求1所述的一种高温炉用炭/炭复合材料圆筒的制备方法，其特征在于：步骤(4)中高温处理的时间为1～10小时，高温处理后炭/炭复合材料圆筒制品的密度≥1.25g/cm3。
7.按照权利要求1所述的一种高温炉用炭/炭复合材料圆筒的制备方法，其特征在于：步骤(5)中制得的高温炉用炭/炭复合材料圆筒的尺寸为：直径≤Φ1900mm×高≤3000mm×壁厚1～20mm。
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