CN102618851B - 一种厚壁空芯c/c复合材料制品的致密工装 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种厚壁空芯C/C复合材料制品的致密工装，包括外筒、进气基座和导气装置，外筒内部设置进气基板，进气基座与进气基板之间形成空腔一，进气基座上开设的进气口，进气基板的顶面上安装有内筒，待致密的厚壁空芯C/C复合材料预制体套在内筒上，C/C复合材料预制体的外表面与外筒内表面之间形成供气体流通的间隙一，C/C复合材料预制体的内表面与内筒外表面之间形成供气体流通的间隙二，进气基板上设置有多个用于连通空腔一和间隙一的导流通道二以及多个用于连通空腔一和间隙二的导流通道三。该致密工装能够进行气体导流，缩短裂解气在沉积空间的停留时间，实现C/C复合材料预制体的快速致密、均匀致密。
Description
技术领域
本发明涉及一种致密工装，特别是涉及一种厚壁空芯C/C复合材料制品的致密工装。
背景技术
C/C复合材料，即炭纤维增强炭基复合材料，是一种具轻质、高强、高模、高尺寸稳定性、高化学稳定性和耐高温等特点于一身的高性能材料，已广泛地应用在航空航天、高速列车、热场材料等高技术领域。研究表明，C/C复合材料的力学/烧蚀性能随其包含的热解炭含量不同而各异。随着热解炭含量的提高，材料压缩、剪切和抗烧蚀性能都得到较大程度的提高。
而化学气相渗透(CVI)为传统的热解炭制备方法。由于常规裂解气体(如丙烯)分解温度较低，且分子量较大，较易在均热沉积过程中的C/C复合材料预制体外侧进行沉积，从而影响裂解气体向C/C复合材料预制体内部的进一步扩散，最终导致不能实现快速致密和均匀致密。
传统的均热CVI致密过程中，对沉积空间的特殊设计较少，易造成气体流动状态紊乱、反应气不能即时流动出此空间从而形成较大的烃类气体中间产物的现象，如此成型的沉积产品较易产生炭黑等副产物且制品内外密度差距较大，延长了热解炭致密周期并对其分布状态均一性造成了影响。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种厚壁空芯C/C复合材料制品的致密工装。该致密工装能够进行气体导流，缩短裂解气在沉积空间的停留时间，实现C/C复合材料预制体的快速致密、均匀致密。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种厚壁空芯C/C复合材料制品的致密工装，其特征在于：包括外筒、安装在外筒底部的进气基座和安装在外筒顶部且用于将外筒内气体导出的导气装置，所述外筒内部且位于进气基座的上方设置有进气基板，所述进气基座与进气基板之间形成空腔一，所述进气基座上开设有用于将气体输入到空腔一的进气口，所述进气基板的顶面上安装有内筒，待致密的厚壁空芯C/C复合材料预制体套在内筒上，所述C/C复合材料预制体的外表面与外筒内表面之间形成供气体流通的间隙一，所述C/C复合材料预制体的内表面与内筒外表面之间形成供气体流通的间隙二，所述进气基板上设置有多个用于连通空腔一和间隙一的导流通道二以及多个用于连通空腔一和间隙二的导流通道三。
上述的一种厚壁空芯C/C复合材料制品的致密工装，其特征在于：所述内筒上方设置有与所述C/C复合材料预制体上表面贴合的压台，所述压台与导气装置之间形成与间隙一连通的间隙三，所述压台上设置有多个与间隙二连通的导流通道一。
上述的一种厚壁空芯C/C复合材料制品的致密工装，其特征在于：所述压台为圆台形。
上述的一种厚壁空芯C/C复合材料制品的致密工装，其特征在于：所述导气装置包括与外筒顶部连接且为空心结构的圆台部和与圆台部连接的引流部，所述引流部上设置有与圆台部内部相连通的排气口。
上述的一种厚壁空芯C/C复合材料制品的致密工装，其特征在于：所述圆台部的锥度为30°～45°。
上述的一种厚壁空芯C/C复合材料制品的致密工装，其特征在于：所述外筒、内筒和压台均采用石墨制成。
上述的一种厚壁空芯C/C复合材料制品的致密工装，其特征在于：所述间隙一和间隙二均为3mm～10mm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的结构简单，设计新颖合理，易于安装。
2、本发明通过间隙一和间隙二实现了对气体的导流，气体从C/C复合材料预制体的外壁和内壁均向C/C复合材料预制体内扩散，形成热解炭，缩短裂解气在沉积空间的停留时间，并实现了C/C复合材料预制体的快速致密和均匀致密。
3、本发明通过设置压台和设置在压台上的导流通道一，能够将从间隙一和间隙二输出的裂解气快速引导至导气装置上的排气口，实现了对气体的层流控制，避免裂解气产生的副产品如炭黑沉积在C/C复合材料预制体上，取得很好的效果，并能够保持天然气主要成分甲烷由进气口至排气口的新鲜度，增加了炭源气体向C/C复合材料预制体内部深入渗透的几率；使大型厚壁、空芯C/C复合材料较传统丙烯裂解气致密的总耗时大大减小。
4、本发明的实现成本低，使用效果好，便于推广使用。
综上所述，本发明结构简单，设计新颖合理，工作可靠性高，使用寿命长，能够实现进行气体导流和层流控制，缩短裂解气在沉积空间的停留时间，实现C/C复合材料预制体的快速致密、均匀致密。
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为本发明的结构示意图。
图2为本发明使用时与混气罐和化学气相沉积炉发热部件的连接关系示意图。
附图标记说明：
1-外筒； 2-内筒； 3-支撑圆筒；
4-进气基座； 4-1-进气口； 5-空腔一；
6-进气基板； 6-1-导流通道二； 6-2-导流通道三；
7-C/C复合材料预制体； 8-间隙二； 9-导气装置；
9-1-圆台部； 9-2-引流部； 9-3-排气口
10-压台； 10-1-导流通道一； 11-间隙三；
12-间隙一； 13-化学气相沉积炉发热部件；
14-混气罐； 14-1-氮气输入口； 14-2-丙烯输入口；
14-3-天然气输入口； 14-4-混合气输出口； 15-输气管一；
16-输气管二； 17-进气支筒。
具体实施方式
如图1所示的一种厚壁空芯C/C复合材料制品的致密工装，包括外筒1、安装在外筒1底部的进气基座4和安装在外筒1顶部且用于将外筒1内气体导出的导气装置9，所述外筒1内部且位于进气基座4的上方设置有进气基板6，所述进气基座4与进气基板6之间形成空腔一5，具体的，所述进气基座4上设置有与外筒1内壁紧密贴合的支撑圆筒3，所述进气基板6安装在支撑圆筒3的上部，从而在进气基座4与进气基板6之间形成空腔一5，所述进气基座4上开设有用于将气体输入到空腔一5的进气口4-1，所述进气基板6的顶面上安装有内筒2，待致密的厚壁空芯C/C复合材料预制体7套在内筒2上，所述C/C复合材料预制体7的外表面与外筒1内表面之间形成供气体流通的间隙一12，所述C/C复合材料预制体7的内表面与内筒2外表面之间形成供气体流通的间隙二8，优选的做法是，所述间隙一12和间隙二8均为3mm～10mm，所述进气基板6上设置有多个用于连通空腔一5和间隙一12的导流通道二6-1以及多个用于连通空腔一5和间隙二8的导流通道三6-2。其中，所述外筒1和内筒2均为圆柱形，所述进气基板6为圆盘形，多个所述导流通道二6-1和多个所述导流通道三6-2均绕进气基板6的中心布设。
使用时，结合图1和图2，所述外筒1、进气基座4和导气装置9均位于化学气相沉积炉发热部件13内。通过混气罐14上的氮气输入口14-1、丙烯输入口14-2和天然气输入口14-3分别向混气罐14内输入氮气、丙烯和天然气，所述混气罐14上设置有混合气输出口14-4，混合气输出口14-4连接有输气管一15，所述输气管一15连接有输气管二16，所述输气管二16连接有与进气口4-1相连通的进气支筒17。所述进气基板6上设置有多个导流通道二6-1和多个导流通道三6-2，气体从空腔一5内经多个导流通道二6-1进入间隙一12，同时气体从空腔一5内经多个导流通道三6-2进入间隙二8，气体在间隙一12和间隙二8内从下向上移动，气体在向上移动的过程中，气体不断被带入C/C复合材料预制体7中，并热解成炭，实现了C/C复合材料预制体7的致密。本发明通过间隙一12和间隙二8实现了对气体的导流，气体从C/C复合材料预制体7的外壁和内壁均向C/C复合材料预制体7内扩散成炭，缩短裂解气在沉积空间的停留时间，并实现了C/C复合材料预制体7的快速致密和均匀致密。
使用时，具体的做法是，紧固设备的相关密封部件，然后抽真空并保持某一数值三小时以上，确认无气体泄漏后进行升温。执行如下工艺参数：天然气流量为3.6±0.2m3/h，丙烯流量为0.4±0.2m3/h，高纯氮气流量为0～1.4m3/h，化学气相沉积炉发热部件13内压力为5kPa～10kPa，沉积温度为950℃～1050℃；对设备进行升温，升温过程中持续通入高纯氮气直至到达设定沉积温度后，停氮气通入天然气+丙烯混合气体。单次进行炭沉积约144h后，停混合裂解气，通入高纯氮气，并断电直至炉温降至60℃以下时，停氮气出炉。重复以上操作，直至密度达到目标值。
如图1所示，所述内筒2上方设置有与所述C/C复合材料预制体7上表面贴合的压台10，所述压台10与导气装置9之间形成与间隙一12连通的间隙三11，所述压台10上设置有多个与间隙二8连通的导流通道一10-1。所述多个导流通道一10-1绕压台10的中心布设。本发明通过设置压台10和设置在压台10上的导流通道一10-1，能够将从间隙一12和间隙二8输出的裂解气快速引导至导气装置9上的排气口9-3，实现了对气体的层流控制，避免裂解气产生的副产品如炭黑沉积在C/C复合材料预制体7上，取得很好的效果，并能够保持天然气主要成分甲烷由进气口4-1至排气口9-3的新鲜度，增加了炭源气体向C/C复合材料预制体7内部深入渗透的几率；使大型厚壁、空芯C/C复合材料较传统丙烯裂解气致密的总耗时能节约了约1/4(以外径420mm/内径150mm×高260mm、致密目标密度为1.4g/cm3的C/C复合材料为例)。
如图1所示，所述导气装置9包括与外筒1顶部连接且为空心结构的圆台部9-1和与圆台部9-1连接的引流部9-2，所述引流部9-2上设置有与圆台部9-1的内部相连通的排气口9-3。通过设置圆台部9-1，使得导气装置9内部空间减小，增加了气体流速，缩短了裂解气在该致密工装内部的滞留时间，使反应区域的副产物得以迅速排除，进一步使C/C复合材料预制体7均匀致密，得到的厚壁空芯C/C复合材料制品的质量更好。其中，当所述圆台部9-1的锥度为30°～45°时，效果较佳。所述压台10为的圆台形，使得间隙三11能快速的引导气体到排气口9-3。所述外筒1、内筒2和压台10均采用石墨制成，其中，外筒1和内筒2可由石墨环斜口对接而成，其可根据需要调整高度。
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换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (5)
1.一种厚壁空芯C/C复合材料制品的致密工装，其特征在于：包括外筒（1）、安装在外筒（1）底部的进气基座（4）和安装在外筒（1）顶部且用于将外筒（1）内气体导出的导气装置（9），所述外筒（1）内部且位于进气基座（4）的上方设置有进气基板（6），所述进气基座（4）与进气基板（6）之间形成空腔一（5），所述进气基座（4）上开设有用于将气体输入到空腔一（5）的进气口（4-1），所述进气基板（6）的顶面上安装有内筒（2），待致密的厚壁空芯C/C复合材料预制体（7）套在内筒（2）上，所述C/C复合材料预制体（7）的外表面与外筒（1）内表面之间形成供气体流通的间隙一（12），所述C/C复合材料预制体（7）的内表面与内筒（2）外表面之间形成供气体流通的间隙二（8），所述进气基板（6）上设置有多个用于连通空腔一（5）和间隙一（12）的导流通道二（6-1）以及多个用于连通空腔一（5）和间隙二（8）的导流通道三（6-2）；所述内筒（2）上方设置有与所述C/C复合材料预制体（7）上表面贴合的压台（10），所述压台（10）与导气装置（9）之间形成与间隙一（12）连通的间隙三（11），所述压台（10）上设置有多个与间隙二（8）连通的导流通道一（10-1）；所述间隙一（12）和间隙二（8）均为3mm～10mm。
2.根据权利要求1所述的一种厚壁空芯C/C复合材料制品的致密工装，其特征在于：所述压台（10）为圆台形。
3.根据权利要求1或2所述的一种厚壁空芯C/C复合材料制品的致密工装，其特征在于：所述导气装置（9）包括与外筒（1）顶部连接且为空心结构的圆台部（9-1）和与圆台部（9-1）连接的引流部（9-2），所述引流部（9-2）上设置有与圆台部（9-1）内部相连通的排气口（9-3）。
4.根据权利要求3所述的一种厚壁空芯C/C复合材料制品的致密工装，其特征在于：所述圆台部（9-1）的锥度为30°～45°。
5.根据权利要求1所述的一种厚壁空芯C/C复合材料制品的致密工装，其特征在于：所述外筒（1）、内筒（2）和压台（10）均采用石墨制成。
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