CN103993292B - 一种碳碳复合材料快速制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种碳碳复合材料快速制备方法及装置，涉及一种炉子，在炉壳（11）的内部设有隔热屏（12），炉壳（11）的下方设有开门小车（14），开门小车（14）与炉壳（11）形成密闭结构，开门小车（14）的车体置于炉壳（11）内，在车体上部设有旋转装置，车体的外部设有电机（13），电机（13）与旋转装置相连接，在旋转装置的顶部设有衬筒（2），衬筒（2）内加热装置，加热装置由感应圈（3）、保温层（4）和加热器构成，加热器设置在衬筒（2）内的中部，加热器外部设有感应圈（3），感应圈（3）外部设有保温层（4）；本发明实用性强，安装和维护均比较方便，操作起来比较方便，有利于碳/碳复合材料的大规模应用。

Description

一种碳碳复合材料快速制备方法及装置

【 技术领域 】

本发明涉及一种碳碳复合材料制备技术领域，尤其是涉及一种碳碳复合材料快速制备方法及装置。

【背景技术】

公知的，碳/碳复合材料具有低密度、高强度、高比模、低烧蚀率、高抗热震性、低热膨胀系数、零湿膨胀、不放气、在2 000℃ 以内强度和模量随温度升高而增加、良好的抗疲劳性能、优异的摩擦磨损性能和生物相容性,对宇宙辐射不敏感及在核辐射下强度增加等性能，尤其是C/C 复合材料强度随温度的升高不降反升的独特性能，使其作为高性能发动机热端部件和使用于高超声速飞行器热防护系统具有其它材料难以比拟的优势，近年来，随着碳纤维原材料及生产制造成本的降低，碳/碳复合材料的应用正在由航空航天领域逐渐进入工业领域，广泛取代其它材料，现有的制备碳/碳复合材料的设备主要是采用化学气相沉积（CVD）工艺模式的CVD炉，这种炉有一般采用石墨加热或感应加热方式，加热元件呈圆环状均匀布在四周，里层是石墨马弗体，再里层才是碳纤维织物预制坯体，碳纤维织物中间还有石墨骨架，这种加热结构是一种热传热方式，离加热元件近的碳纤维织物坏体外层温度先受热，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,由于气体在坯体表面的输送状态远好于内部,使得热解炭在表面优先沉积下来,过早的封闭了空洞,切断了内部气体的输送通道,造成明显的密度不均匀，为改善这种状况,只能采用低温、低气体浓度,使沉积速率减缓，但是这样仍会造成较大的密度梯度，通常的处理方法是表面加工,打开封闭的空洞,继续沉积。这样的过程得循环几次,结果沉积周期很长,因此现有的CVD技术存在致密化效率较低、制备周期很长、能耗高的缺点，造成制造成本居高不下，限制了碳/碳复合材料的的大规模应用。

【发明内容】

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种碳碳复合材料快速制备方法及装置，本发明通过在炉壳底部设置开门小车，并在小车上设置旋转装置和加热装置，以此来达到快速、高效、低能耗制备碳碳复合材料的目的。

为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种碳碳复合材料快速制备方法及装置，包括炉壳、隔热屏、保温层、旋转装置、加热装置和开门小车，炉壳的顶部设有封头，在炉壳的内部设有隔热屏，炉壳的下方设有开门小车，开门小车与炉壳形成密闭结构，开门小车的车体置于炉壳内，在车体上部设有旋转装置，车体的外部设有电机，电机与旋转装置相连接，在旋转装置的顶部设有衬筒，衬筒内加热装置，加热装置由感应圈、保温层和加热器构成，加热器设置在衬筒内的中部，加热器外部设有感应圈，感应圈外部设有保温层。

所述炉壳为双层结构，炉壳采用双层水冷结构。

所述隔热屏固定设置在炉壳的内部，在隔热屏上设有孔。

所述旋转装置由隔热盘、转动托盘、托轮、固定托盘和固定托架构成，在开门小车的车体顶部设有固定托架，固定托架上方固定设有固定托盘，固定托盘上方设有转动托盘，固定托盘和转动托盘之间设有托轮，托轮与开门小车外部的电机相连接。

所述炉壳底部设有通气管，通气管的出口置于衬筒和隔热屏之间。

所述开门小车由车体、挡板和车轮构成，车体的上方设有挡板，挡板、车体和炉壳构成一个密闭空间，在车体底部设有车轮。

一种碳碳复合材料快速制备方法，包括：炉壳、旋转装置、加热装置和开门小车，炉壳和开门小车形成一个密闭空间，碳碳复合材料胚体设置在石墨衬筒外侧面上，在胚体和炉壳内部的隔热屏内保持真空状态，衬筒内部设有加热装置，加热装置通电发热，再将保护气体作为碳源从通气管进入到炉壳内，并在旋转装置的作用下形成碳碳复合材料坩埚，其步骤如下：

1）将开门小车拉开，使碳碳复合材料胚体设置在石墨的衬筒上，在将胚体和衬筒一块套在加热装置的感应圈上，然后将开门小车推入到炉壳内形成一个密闭结构，并抽真空状态；

2）进一步，加热装置通电，通电后衬筒被加热，然后将热量传给胚体，由于胚体的热源在里面，所以里面温度高，外面温度低，这样就构成了热递度，并在胚体内外表面形成一定温度差，加热装置加热的同时通过通气管向炉壳内注入保护气体；

3）进一步，通过旋转装置使胚体和衬筒围绕这加热装置进行转动，充分消除了温度不均匀和气体密度不均匀造成的沉积不均匀因素，保护气体在坯体低温表面流过,同样,也是依靠气体扩散作用,由于反应气体首先接触的是低温表面,因此,大量的沉积发生在胚体的样品里侧,胚体的表面很少沉积或不沉积,随着沉积过程的进行,坯体的里侧被致密化,胚体的内外表面温差越来越小,沉积带逐渐外移,最终得到从里至外完全致密的胚体制品，这一过程为通应反应；

4）进一步，当通应反应完毕冷却后，坯体即形成致密的碳碳复合材料坩埚，此时拉出开门小车，将形成的坩埚吊离即可。

所述胚体在炉壳内的温度为达到800℃—1500℃，真空度为100Pa—6000 Pa，保温时间为5分钟—60分钟。

所述保护气体为碳氢气体，保护气体通过胚体和隔热屏之间形成的空间对胚体表面进入渗通、热解沉积形成碳基体，形成基体的通应反应时间为8小时—24小时。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明所述的一种碳碳复合材料快速制备方法及装置，包括炉壳、隔热屏、保温层、旋转装置、加热装置和开门小车，通过在炉壳底部设置开门小车，并在小车上设置旋转装置和加热装置，以此来达到快速、高效、低能耗制备碳碳复合材料的目的；本发明实用性强，安装和维护均比较方便，操作起来比较方便，不但快速制备了碳碳复合材料，而且沉积更加均匀，沉积速率更高，同时降低了生产成本，提高了产品的质量，有利于碳/碳复合材料的的大规模应用。

【附图说明】

图1是本发明的结构示意图；

图中：1、坯体；2、衬筒；3、感应圈；4、保温层；5、隔热盘；6、转动托盘；7、托轮；8、固定托盘；9、固定托架；10、通气管；11、炉壳；12、隔热屏；13、电机；14、开门小车。

【具体实施方式】

通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。

结合附图1所述的一种碳碳复合材料快速制备方法及装置，包括炉壳11、隔热屏12、保温层4、旋转装置、加热装置和开门小车14，炉壳11的顶部设有封头，在炉壳11的内部设有隔热屏12，炉壳11的下方设有开门小车14，开门小车14与炉壳11形成密闭结构，开门小车14的车体置于炉壳11内，在车体上部设有旋转装置，车体的外部设有电机13，电机13与旋转装置相连接，在旋转装置的顶部设有衬筒2，衬筒2内加热装置，加热装置由感应圈3、保温层4和加热器构成，加热器设置在衬筒2内的中部，加热器外部设有感应圈3，感应圈3外部设有保温层4。

所述炉壳11为双层结构，炉壳11采用双层水冷结构。

所述隔热屏12固定设置在炉壳11的内部，在隔热屏12上设有孔。

所述旋转装置由隔热盘5、转动托盘6、托轮7、固定托盘8和固定托架9构成，在开门小车14的车体顶部设有固定托架9，固定托架9上方固定设有固定托盘8，固定托盘8上方设有转动托盘6，固定托盘8和转动托盘6之间设有托轮7，托轮7与开门小车14外部的电机13相连接。

所述炉壳11底部设有通气管10，通气管10的出口置于衬筒2和隔热屏12之间。

所述开门小车14由车体、挡板和车轮构成，车体的上方设有挡板，挡板、车体和炉壳11构成一个密闭空间，在车体底部设有车轮。

一种碳碳复合材料快速制备方法，包括：炉壳11、旋转装置、加热装置和开门小车14，炉壳11和开门小车14形成一个密闭空间，碳碳复合材料胚体1设置在石墨衬筒2外侧面上，在胚体1和炉壳11内部的隔热屏12内保持真空状态，衬筒2内部设有加热装置，加热装置通电发热，再将保护气体作为碳源从通气管进入到炉壳11内，并在旋转装置的作用下形成碳碳复合材料坩埚，其步骤如下：

1）将开门小车14拉开，使碳碳复合材料胚体1设置在石墨的衬筒2上，在将胚体1和衬筒2一块套在加热装置的感应圈3上，然后将开门小车14推入到炉壳11内形成一个密闭结构，并抽真空状态；

2）进一步，加热装置通电，通电后衬筒2被加热，然后将热量传给胚体1，由于胚体1的热源在里面，所以里面温度高，外面温度低，这样就构成了热递度，并在胚体1内外表面形成一定温度差，加热装置加热的同时通过通气管10向炉壳11内注入保护气体；

3）进一步，通过旋转装置使胚体1和衬筒2围绕这加热装置进行转动，充分消除了温度不均匀和气体密度不均匀造成的沉积不均匀因素，保护气体在坯体1低温表面流过,同样,也是依靠气体扩散作用,由于反应气体首先接触的是低温表面,因此,大量的沉积发生在胚体的样品里侧,胚体1的表面很少沉积或不沉积,随着沉积过程的进行,坯体1的里侧被致密化,胚体1的内外表面温差越来越小,沉积带逐渐外移,最终得到从里至外完全致密的胚体1制品，这一过程为通应反应；

4）进一步，当通应反应完毕冷却后，坯体即形成致密的碳碳复合材料坩埚，此时拉出开门小车14，将形成的坩埚吊离即可。

所述胚体1在炉壳11内的温度为达到800℃—1500℃，真空度为100Pa—6000 Pa，保温时间为5分钟—60分钟。

所述保护气体为碳氢气体，保护气体通过胚体和隔热屏之间形成的空间对胚体1表面进入渗通、热解沉积形成碳基体，形成基体的通应反应时间为8小时—24小时。

实施本发明所述的一种碳碳复合材料快速制备方法及装置，在工作时，将开门小车14拉开，将胚体1设置在衬筒2上，在将胚体1和衬筒2一块套在加热装置的感应圈3上，然后将开门小车14推入到炉壳11内形成一个密闭结构，并抽真空状态，此时可以将加热装置通电，通电后衬筒2被加热，然后将热量传给胚体1，由于胚体1的热源在里面，所以里面温度高，外面温度低，这样就构成了热递度，并在胚体1内外表面形成一定温度差，这时在通过通气管10向炉壳11内注入碳氢气体，让碳氢气体在坯体1低温表面流过,同样,也是依靠气体扩散作用,由于反应气体首先接触的是低温表面,因此,大量的沉积发生在样品里侧,表面很少沉积或不沉积,随着沉积过程的进行,坯体1里侧被致密化,内外表面温差越来越小,沉积带逐渐外移,最终得到从里至外完全致密的制品，与时同时，胚体1围绕加热装置不停的转动，充分除消了温度不均匀和气体密度不均匀造成的沉积不均匀因素，当反应完毕冷却后，坯体即形成坩埚，此时拉出开门小车，将形成的坩埚吊离即可。

本发明未详述部分为现有技术。

Claims (9)

1.一种碳碳复合材料快速制备装置，包括炉壳（11）、隔热屏（12）、保温层（4）、旋转装置、加热装置和开门小车（14），炉壳（11）的顶部设有封头，其特征是：在炉壳（11）的内部设有隔热屏（12），炉壳（11）的下方设有开门小车（14），开门小车（14）与炉壳（11）形成密闭结构，开门小车（14）的车体置于炉壳（11）内，在车体上部设有旋转装置，车体的外部设有电机（13），电机（13）与旋转装置相连接，在旋转装置的顶部设有衬筒（2），衬筒（2）内加热装置，加热装置由感应圈（3）、保温层（4）和加热器构成，加热器设置在衬筒（2）内的中部，加热器外部设有感应圈（3），感应圈（3）外部设有保温层（4）。

2.根据权利要求1所述的一种碳碳复合材料快速制备装置，其特征是：所述炉壳（11）为双层结构，炉壳（11）采用双层水冷结构。

3.根据权利要求1所述的一种碳碳复合材料快速制备装置，其特征是：所述隔热屏（12）固定设置在炉壳（11）的内部，在隔热屏（12）上设有孔。

4.根据权利要求1所述的一种碳碳复合材料快速制备装置，其特征是：所述旋转装置由隔热盘（5）、转动托盘（6）、托轮（7）、固定托盘（8）和固定托架（9）构成，在开门小车（14）的车体顶部设有固定托架（9），固定托架（9）上方固定设有固定托盘（8），固定托盘（8）上方设有转动托盘（6），固定托盘（8）和转动托盘（6）之间设有托轮（7），托轮（7）与开门小车（14）外部的电机（13）相连接。

5.根据权利要求1所述的一种碳碳复合材料快速制备装置，其特征是：所述炉壳（11）底部设有通气管（10），通气管（10）的出口置于衬筒（2）和隔热屏（12）之间。

6.根据权利要求1所述的一种碳碳复合材料快速制备装置，其特征是：所述开门小车（14）由车体、挡板和车轮构成，车体的上方设有挡板，挡板、车体和炉壳（11）构成一个密闭空间，在车体底部设有车轮。

7.根据权利要求1所述的一种碳碳复合材料快速制备方法，其特征是：包括：炉壳（11）、旋转装置、加热装置和开门小车（14），炉壳（11）和开门小车（14）形成一个密闭空间，碳碳复合材料胚体（1）设置在石墨衬筒（2）外侧面上，在胚体（1）和炉壳（11）内部的隔热屏（12）内保持真空状态，衬筒（2）内部设有加热装置，加热装置通电发热，再将保护气体作为碳源从通气管进入到炉壳（11）内，并在旋转装置的作用下形成碳碳复合材料坩埚，其步骤如下：

1）将开门小车（14）拉开，使碳碳复合材料胚体（1）设置在石墨的衬筒（2）上，在将胚体（1）和衬筒（2）一块套在加热装置的感应圈（3）上，然后将开门小车（14）推入到炉壳（11）内形成一个密闭结构，并抽真空状态；

2）进一步，加热装置通电，通电后衬筒(2)被加热，然后将热量传给胚体（1），由于胚体（1）的热源在里面，所以里面温度高，外面温度低，这样就构成了热递度，并在胚体（1）内外表面形成一定温度差，加热装置加热的同时通过通气管（10）向炉壳（11）内注入保护气体；

3）进一步，通过旋转装置使胚体（1）和衬筒（2）围绕这加热装置进行转动，充分消除了温度不均匀和气体密度不均匀造成的沉积不均匀因素，保护气体在坯体（1）低温表面流过,同样,也是依靠气体扩散作用,由于反应气体首先接触的是低温表面,因此,大量的沉积发生在胚体的样品里侧,胚体（1）的表面很少沉积或不沉积,随着沉积过程的进行,坯体（1）的里侧被致密化,胚体（1）的内外表面温差越来越小,沉积带逐渐外移,最终得到从里至外完全致密的胚体（1）制品，这一过程为通应反应；

4）进一步，当通应反应完毕冷却后，坯体即形成致密的碳碳复合材料坩埚，此时拉出开门小车（14），将形成的坩埚吊离即可。

8.根据权利要求7所述的一种碳碳复合材料快速制备方法，其特征是：所述胚体（1）在炉壳（11）内的温度为达到800℃—1500℃，真空度为100Pa—6000 Pa，保温时间为5分钟—60分钟。

9.根据权利要求7所述的一种碳碳复合材料快速制备方法，其特征是：所述保护气体为碳氢气体，保护气体通过胚体和隔热屏之间形成的空间对胚体（1）表面进入渗通、热解沉积形成碳基体，形成基体的通应反应时间为8小时—24小时。