CN104195526A - 一种能够控制碳源气流向的沉积炉 - Google Patents

Abstract

一种能够控制碳源气流向的沉积炉，导气筒位于料柱的中心，被安放在料柱底板上；多个内垫环与外垫环和碳纤维预制体按外垫环――碳纤维预制体――内垫环――碳纤维预制体――外垫环的顺序循环叠放在料柱底板上，直至完成料柱的叠放，并在料柱的顶层放置内垫环；料柱盖板放置在位于料柱顶层的内垫环的上表面。本发明在现有技术的基础上增加了内垫环和导气筒：通过导气筒改进了碳源气体在料柱内的分散均匀性，通过内垫环改变了碳源气体的流动方式。本发明使制造的碳刹车盘密度梯度降低了30％，沉积时间缩短了5％，提高了碳源气体的分散性。

Description

一种能够控制碳源气流向的沉积炉

技术领域

本发明属于沉积炉技术领域，具体是一种能够控制碳源气流向的沉积炉装置。 

背景技术

制造碳刹车盘是将碳纤维预制体放入化学气相沉积(CVD)炉内，加热至所要求的温度，通入碳源气体(碳氢化合物)，气体被加热至一定温度裂解、流向至碳纤维预制体，并扩散到多孔的碳纤维预制体内，将热解碳沉积在碳纤维周围和空隙中使碳纤维预制体致密，最终形成碳刹车盘。 

碳源气体在碳纤维预制体内的流向直接影响碳纤维预制体的致密化效果，因此控制碳源气流向的沉积炉装置是CVD炉的一个关键部件。 

公开号为CN1544685A的发明创造中公开了一种炭刹车盘负压定向流外热梯度化学气相渗透方法及其设备。该发明创造中在相邻的碳纤维预制体之间加一件外垫环，碳源气由碳纤维预制体的内侧流入，由碳纤维预制体的外侧流出。碳源气是以相同的流向方式通过碳纤维预制体。 

当碳纤维预制体之间加外垫环后，碳源气与碳纤维预制体的接触面积增加，一定程度上改善了碳纤维预制体的致密化效果。但由于碳源气是以相同的方式流向由碳纤维预制体内侧渗透到碳纤维预制体外侧，这就造成碳刹车盘与气体先接触的部位密度高、碳刹车盘与气体后接触的部位密度低，碳刹车盘的表面部位密度高、碳刹车盘的中心部位密度低。碳刹车盘不同部位的密度梯度大，这既影响了碳刹车盘性能，也影响了碳刹车盘的沉积时间。 

发明内容

为克服现有技术中存在的碳源气流向方式单一、碳刹车盘密度梯度大的不足，本发明提出了一种能够控制碳源气流向的沉积炉。 

本发明包括沉积炉底座、料柱底板、料柱盖板、和多个外垫环；所述的料柱底板放置在沉积炉底座上方，在料柱底板的上表面依次叠放外垫环和碳纤维预制体，形成料柱；料柱盖板放置在料柱顶层；其特征在于，还包括内垫环和导气筒，其中，所述的导气筒位于料柱的中心，被安放在料柱底板上；多个内垫环与外垫环和碳纤维预制体按外垫环――碳纤维预制体――内垫环――碳纤维预制体――外垫环的顺序循环叠 放在料柱底板上，直至完成料柱的叠放，并在料柱的顶层放置内垫环；料柱盖板放置在位于料柱顶层的内垫环的上表面。 

所述导气筒的外径小于碳纤维预制体的内径，导气筒的壁厚为5～10mm。在该导气筒的壳体上沿该导气筒的轴向等距离排列有多个贯通的气流孔组，每组有6个气流孔10，并且各气流孔组中的6个气流孔10在所处导气筒壳体的同一环形截面上均匀分布。所述气流孔的孔径为8～12mm。 

所述内垫环的内径与碳纤维预制体的内径相同，该内垫环的外径小于外垫环的内径，以有利于气流通过碳纤维预制体。内垫环的环带宽度为10～20mm，厚度为5～10mm，内垫环的内圆与碳纤维预制体的内圆齐平。 

所述外垫环外垫环的环带宽度为10～20mm，厚度为5～10mm。 

本发明中，料柱底板放置于沉积炉底座上方，沉积炉底座的中心有一个导气管，在料柱底板的上表面依次放置外垫环、碳纤维预制体、内垫环、碳纤维预制体、外垫环，外垫环、碳纤维预制体与内垫环是交替放置，导气筒放置在料柱的中心，料柱的最上端放料柱盖板。 

为了改变现有技术中碳源气体的流动方式，本发明在现有技术的基础上增加了内垫环和导气筒。 

本发明将外垫环、碳纤维预制体、内垫环、碳纤维预制体、外垫环交替放置，使碳纤维预制体环带中心部位的上表面和下表面中的一个表面处在料柱内，另一表面处在料柱外。由于料柱内的压力比料柱外的压力大，在料柱内外之间形成压差，碳源气体渗透到碳纤维预制体环带中心部位的气体量大，在预制体环带中心部位形成的沉积碳多，预制体环带中心部位的密度提高。试验结果表明，与现有技术相比，引入了内垫环，并将外垫环、碳纤维预制体、内垫环、碳纤维预制体和外垫环交替放置，使制造的碳刹车盘密度梯度降低了30％，沉积时间缩短了5％。 

碳刹车盘沉积时间缩短幅度小是由于料柱内碳源气体分散不均匀造成的。为了改进碳源气体在料柱内的分散均匀性，本发明在增加内垫环的基础上，同时增加了导气筒，通过导气筒上的气流孔，使进入料柱内的碳源气体被均匀分散，有利于碳源气体渗入碳纤维预制体，进一步降低了碳刹车盘密度梯度、缩短了沉积时间。在确定所述气流孔的孔径时，试验研究证明：当导气筒上气流孔的孔径≤5mm时，多数气流孔被 碳源气裂解后产生的碳堵塞；当气流孔的孔径为6～12mm时，能够有效缓解或克服碳源气裂解后产生的碳堵塞现象。综合考虑对碳源气体分散性和碳堵塞的要求，本发明将所述气流孔的孔径确定为8～10mm，试验锥面气流孔没有堵塞，并使得进入料柱内的碳源气体被均匀分散。 

本发明的特点是碳源气体的分散均匀性好，改变了碳源气体的流动方式，这些特点使碳刹车盘的密度梯度降低50％，沉积时间缩短30％以上，详细数据见表1。 

表1 本发明与现有技术测试数据对比 

项目	现有技术	本发明	备注
				密度梯度	11.6％	5.7％	密度梯度降低50％
沉积时间	300小时	200小时	沉积时间缩短30％以上

附图说明

图1为现有技术碳源气流向控制示意图； 

图2为本发明碳源气流向控制示意图； 

图3为导气筒的俯视图； 

图4为导气筒的侧视图。图中： 

1.碳源气体；2.导气管；3.沉积炉底座；4.料柱底板；5.外垫环；6.碳纤维预制体；7.料柱盖板；8.内垫环；9.导气筒；10.气流孔。 

具体实施方式

实施例一 

本实施例是一种能够控制碳源气流向的沉积炉装置，包括沉积炉底座3、料柱底板4、料柱盖板7、导气筒9、多个外垫环5和多个内垫环8。 

本实施例中，料柱底板4放置在沉积炉底座上方，在料柱底板的上表面放置外垫环5、碳纤维预制体6和内垫环8，并且所述外垫环、碳纤维预制体和内垫环的放置按外垫环――碳纤维预制体――内垫环――碳纤维预制体――外垫环的顺序循环叠放，直至完成料柱的叠放。在所述料柱的顶层放置内垫环；在所述料柱的中心安放有导气筒9，并且该导气筒的下端安放在料柱底板上。料柱盖板7放置在位于料柱顶层的内垫环的上表面。 

所述导气筒采用石墨材料制成。该导气筒的外径小于碳纤维预制体的内径，导气 筒的壁厚为5～10mm。在该导气筒的壳体上沿该导气筒的轴向等距离排列有多个贯通的气流孔组，每组有6个气流孔10，并且各气流孔组中的6个气流孔10在所处导气筒壳体的同一环形截面上均匀分布。所述气流孔的孔径为8～10mm。 

本实施例中，位于导气筒轴向的两个相邻孔的中心距为40mm，气流孔的孔径为8mm。导气筒的壁厚为8mm。 

所述内垫环8采用石墨材料制成，为环状。该内垫环的内径与碳纤维预制体的内径相同，该内垫环8的外径小于外垫环的内径，以有利于气流通过碳纤维预制体。内垫环的环带宽度为10～20mm，厚度为5～10mm，内垫环的内圆与碳纤维预制体的内圆齐平。本实施例中，内垫环8的环带宽度为10mm，厚度为5mm。 

所述外垫环5采用现有技术。该外垫环的外径尺寸与碳纤维预制体的外径尺寸相同，外垫环的环带宽度为10～20mm，厚度为5～10mm。本实施例中，外垫环5的环带宽度为10mm，厚度为5mm。 

采用本实施例提出的技术方案，碳源气体由导气管进入导气筒，再由导气筒上的气流孔进入料柱内，在料柱内碳源气体裂解形成的热解碳沉积在碳纤维预制体碳纤维周围和空隙中使碳纤维预制体致密化。 

碳源气体通过位于沉积炉底座3中心的导气管2进入料柱中心的导气筒内，并通过导气筒上的气流孔进入料柱内，由于导气筒上有大量气流孔，进入料柱内的碳源气体被均匀分散。料柱内外垫环、碳纤维预制体与内垫环交替放置，使碳源气体的流动方式发生改变。本实施例特点是碳源气体的分散好，改变了碳源气体的流动方式，这些特点使碳刹车盘的密度梯度降低50％，沉积时间缩短30％以上。 

实施例二 

本实施例是一种能够控制碳源气流向的沉积炉装置，包括沉积炉底座、料柱底板、料柱盖板、导气筒、多个外垫环和多个内垫环。 

本实施例中的结构特征与实施例一中所述能够控制碳源气流向的沉积炉装置的结构特征相同，不同之处在于： 

本实施例中导气筒的壁厚为5mm，气流孔的孔径为10mm。所述内垫环8的环带宽度为15mm，厚度为8mm。所述外垫环5的环带宽度为15mm，厚度为8mm。 

采用本实施例提出的技术方案，碳源气体由导气管进入导气筒，再由导气筒上的气流孔进入料柱内，在料柱内碳源气体裂解形成的热解碳沉积在碳纤维预制体碳纤维周围和空隙中使碳纤维预制体致密化。 

碳源气体由导气筒上的气流孔进入料柱内，由于导气筒上有大量气流孔，进入料柱内的碳源气体被均匀分散。料柱内外垫环、碳纤维预制体与内垫环交替放置，使碳源气体的流动方式发生改变。本实施例特点是碳源气体的分散好，改变了碳源气体的流动方式，这些特点使碳刹车盘的密度梯度降低50％，沉积时间缩短30％以上。 

实施例三 

本实施例是一种能够控制碳源气流向的沉积炉装置，包括沉积炉底座、料柱底板、料柱盖板、导气筒、多个外垫环和多个内垫环。 

本实施例中的结构特征与实施例一中所述能够控制碳源气流向的沉积炉装置的结构特征相同，不同之处在于： 

本实施例中导气筒的壁厚为10mm，气流孔的孔径为9mm。所述内垫环8的环带宽度为20mm，厚度为10mm。所述外垫环5的环带宽度为20mm，厚度为10mm。 

采用本实施例提出的技术方案，碳源气体由导气管进入导气筒，再由导气筒上的气流孔进入料柱内，在料柱内碳源气体裂解形成的热解碳沉积在碳纤维预制体碳纤维周围和空隙中使碳纤维预制体致密化。 

碳源气体由导气筒上的气流孔进入料柱内，由于导气筒上有大量气流孔，进入料柱内的碳源气体被均匀分散。料柱内外垫环、碳纤维预制体与内垫环交替放置，使碳源气体的流动方式发生改变。本实施例特点是碳源气体的分散好，改变了碳源气体的流动方式，这些特点使碳刹车盘的密度梯度降低50％，沉积时间缩短30％以上。 

Claims (4)

1.一种能够控制碳源气流向的沉积炉，包括沉积炉底座、料柱底板、料柱盖板、和多个外垫环；所述的料柱底板放置在沉积炉底座上方，在料柱底板的上表面依次叠放外垫环和碳纤维预制体，形成料柱；料柱盖板放置在料柱顶层；其特征在于，还包括内垫环和导气筒，其中，所述的导气筒位于料柱的中心，被安放在料柱底板上；多个内垫环与外垫环和碳纤维预制体按外垫环――碳纤维预制体――内垫环――碳纤维预制体――外垫环的顺序循环叠放在料柱底板上，直至完成料柱的叠放，并在料柱的顶层放置内垫环；料柱盖板放置在位于料柱顶层的内垫环的上表面。

2.如权利要求1所述能够控制碳源气流向的沉积炉，其特征在于，所述导气筒的外径小于碳纤维预制体的内径，导气筒的壁厚为5～10mm；在该导气筒的壳体上沿该导气筒的轴向等距离排列有多个贯通的气流孔组，每组有6个气流孔10，并且各气流孔组中的6个气流孔10在所处导气筒壳体的同一环形截面上均匀分布；所述通气孔的孔径为8～12mm。

3.如权利要求1所述能够控制碳源气流向的沉积炉，其特征在于，所述内垫环的内径与碳纤维预制体的内径相同，该内垫环的外径小于外垫环的内径，以有利于气流通过碳纤维预制体；内垫环的环带宽度为10～20mm，厚度为5～10mm，内垫环的内圆与碳纤维预制体的内圆齐平。

4.如权利要求1所述能够控制碳源气流向的沉积炉，其特征在于，所述外垫环外垫环的环带宽度为10～20mm，厚度为5～10mm。