CN106278343A - 一种大型化学气相沉积电阻炉用c／c发热体的制造方法 - Google Patents

一种大型化学气相沉积电阻炉用c／c发热体的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大型化学气相沉积炉用C/C发热体的制造方法，包括如下步骤：1)编织预制体：采用12K聚丙烯腈基炭纤维布和短切炭纤维网胎交替铺叠针刺制成圆形多孔预制体；2)将预制体放入真空炉内进行增密；3)将致密化的多孔预制体进行机械加工，开出导带。采用本发明的方法得到的C/C发热体克服了石墨发热体高温强度低、抗热震性能差、不抗碰撞、热膨胀系数与热解炭不匹配，使用寿命短的缺陷，在生产炭刹车盘装出炉及维修操作中，抗碰撞，不易损坏，基体炭与热解炭热膨胀系数一致，抗热震不易产生裂纹，其使用寿命是石墨发热体的4～5倍。

Description

一种大型化学气相沉积电阻炉用C/C发热体的制造方法
技术领域
本发明涉及一种C/C发热体的制造方法，尤其涉及一种大型多料柱化学气相沉积炉用C/C发热体的制造方法，属于C/C应用领域。
背景技术
化学气相沉积炉的加热方式大体可分两类，一类为中频感应加热，一类为石墨电极加热，这两类加热方式都离不开石墨发热体，受原材料石墨限制，石墨制品的直径尺寸目前只能达到1.5m，而大于1.5m的石墨电极成型很困难。作为大型化学气相沉积炉用发热体，要求在高温下导电性好，耐高温，耐热震，导热系数大，机械强度高。而石墨本身是脆性材料，在使用过程中极易受到碰撞而损坏。在化学气相沉积过程中有热解炭渗透到石墨中，由于石墨热膨胀系数与热解炭不匹配而产生热应力，易造成石墨裂纹而损坏；同时在化学气相沉积过程中需要频繁开炉停炉操作，温度从室温到900～1050度往返周期进行，由于石墨抗热震性差，也极易造成石墨发热体裂纹而损坏，使石墨发热体的使用寿命大大缩短。
C/C复合材料除了优异的摩擦磨损性能、高温下(2600度)强度高，导热系数高，热稳定性高等优点外，还有良好的电学性质。由于其结构特点层面方向具有良好的导电性，而层间则较差使其具有较好的比电阻，故而可用于加热炉发热体。一般普通石墨电极电阻率为10-13μΩm，超高功率石墨电极9-11μΩm，而C/C复合材料为25-40μΩm，C/C复合材料的电阻率为石墨材料的2-4倍；同时密度不同对应的电阻率也不同，可根据不同的要求进行调控，故C/C复合材料发热体可设计性强。随着国内C/C复合材料制造技术的日益成熟及成本降低，对C/C复合材料的需求量也在不断增加，进而对制造炭复合材料的化学气相沉积炉的需求量在逐年增加，并且向大型化规模化发展，迫切需要使用寿命长，性价比高的新型发热体材料替代目前广泛使用的石墨发热体。
发明内容
本发明针对现有石墨发热体存在的不足，提供一种大型化学气相沉积炉用C/C发热体的制造方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种大型化学气相沉积电阻炉用C/C发热体的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)编织预制体：采用12K聚丙烯腈基炭纤维布和短切炭纤维网胎交替铺叠针刺制成圆形多孔预制体；
2)增密预制体：将步骤1)中所得的多孔预制体放入真空炉内进行气相沉积增密处理，增密所用炭源气体为丙烯或天然气和丙烷的混合气体，增密周期视所需材料密度情况选定，将其密度控制在1.0～1.4g/cm3，从而获得具有不同电阻率的发热体坯体；
3)开导带：将步骤2)中所得的致密化的C/C发热体坯体进行机械加工，开出导带，根据化学气相沉积电阻炉加热空间及承载的物料热平衡来计算出其变压器额定功率及输出电流电压，按照变压器阻抗与发热体电阻相同或相近的原则，进而计算C/C发热体的电阻，导带的长度和横截面积根据如下公式计算：式中，R-发热体的电阻值；ρ-发热体的电阻率；L-发热体电阻的导带长度；S-发热体电阻的导带横截面积。
进一步，步骤1)中12K聚丙烯腈炭纤维布与短切炭纤维网胎之间还铺设有一层炭纤维长丝。
进一步，步骤2)中增密炭源气体为丙烯气体，其工艺参数如下：温度850～950℃，丙烯流量为40～80SLM，氮气流量为30～70SLM，压力为2.0～4.0KPa,沉积时间为350～500h。
进一步，步骤2)中增密炭源气体为天然气和甲烷，其工艺参数如下：温度950～1050℃，天然气流量为50～100SLM，丙烷流量为12～30SLM，压力2.0～4.0KPa,沉积时间为300～400h。
本发明的有益效果是：
1)采用本发明的方法得到的C/C发热体克服了石墨发热体高温强度大，抗热震性差、不抗碰撞、热膨胀系数与热解炭不匹配，使用寿命短的缺陷，在生产炭刹车盘装出炉操作中，抗碰撞，不易损坏，基体炭与热解炭热膨胀系数，抗热震不易产生裂纹，其寿命是石墨发热体的数倍。
2)本发明的方法得到的C/C发热体在实际使用过程中，操作稳定，发热均匀，容易形成均匀的温度场，多料柱生产炭刹车盘质量均匀可靠。
附图说明
图1为圆形预制体结构示意图；
图2为增密后的C/C坯体结构示意图；
图3为机械加工并开出导带后的C/C圆形发热体结构示意图；
图4为C/C发热体展开结构示意图；
具体实施方式
以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1：
一种大型化学气相沉积电阻炉用C/C发热体的制造方法，包括如下步骤：1)编织预制体：采用12K聚丙烯腈基炭纤维布和短切炭纤维网胎交替铺叠针刺制成直径为2m、高度为3m的圆柱形多孔预制体；
2)增密预制体：将步骤1)中所得的多孔预制体放入大型化学气相沉积炉内进行增密，制得具有要求密度的C/C坯体，增密所用炭源气体为丙烯，其工艺参数如下：温度850～950℃，丙烯流量为40～80SLM，氮气流量为30～70SLM，压力为2.0～4.0KPa,沉积时间为350～500h，分3个周期进行，将其密度控制在1.0g/cm3，计算得到发热体的电阻率为38μΩm；
3)开导带：将步骤2)中所得的致密化的C/C坯体进行机械加工，开出导带，根据大型化学气相沉积电阻炉加热空间及承载的物料热平衡来计算出其变压器额定功率及输出电流电压，按照变压器阻抗与发热体电阻相同或相近的原则，进而计算C/C发热体的电阻，根据如下公式计算：式中，R-发热体的电阻值；L-发热体电阻的导带长度，S-形成发热体电阻的导带横截面积，本例中C/C发热体的导带横截面积为1800mm2，导带的长度为3250m，计算发热体的电阻值为0.0686Ω。
实施例2：
一种大型化学气相沉积电阻炉用C/C发热体的制造方法，包括如下步骤：
1)编制预制体：采用聚丙烯腈基炭纤维长丝、炭纤维长丝、短切炭纤维网胎交替铺叠针刺制成直径为1.5m、高度为3m的圆柱形多孔预制体；
2)增密预制体：将步骤1)中所得的多孔预制体放入大型化学气相沉积炉内进行增密，增密所用炭源气体为天然气和甲烷，其工艺参数如下：温度950～1050℃，天然气流量为50～100SLM，丙烷流量为12～30SLM，压力2.0～4.0KPa,沉积时间为350～500h，分3个周期进行，将其密度控制在1.2g/cm3，制得C/C发热体坯体，计算得到发热体的电阻率为30μΩm；
3)开导带：将步骤2)中所得的致密化的C/C发热体坯体进行机械加工，开导带。根据大型化学气相沉积电阻炉加热空间及承载的物料热平衡来计算出其变压器额定功率及输出电流电压，按照变压器阻抗与发热体电阻相同或相近的原则，进而计算C/C发热体的电阻。导带的电阻根据如下公式计算：R＝式中，R-发热体的电阻值；L-发热体电阻的导带长度，S-形成发热体电阻的导带横截面积，本例中C/C发热体的导带横截面积为1500mm2，导带的长度为4100m，实测发热体的电阻值为0.082Ω。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种大型化学气相沉积电阻炉用C/C发热体的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)编织预制体：采用12K聚丙烯腈基炭纤维和短切炭纤维网胎交替铺叠针刺制成圆形多孔预制体；
2)增密预制体：将步骤1)中所得的多孔预制体放入真空炉内进行高温增密，形成内部多孔材质，增密所用炭源气体为丙烯或天然气与丙烷的混合气体，增密周期视密度情况选定，将其密度控制在1.0～1.4g/cm3，从而获得具有不同电阻率的发热体坯体；
3)开导带：将步骤2)中所得的致密化的发热体坯体进行机械加工，开出导带，根据化学气相沉积电阻炉加热空间及承载的物料热平衡来计算出其变压器额定功率及输出电流电压，按照变压器阻抗与发热体电阻相同或相近的原则，进而计算C/C发热体的电阻，导带的长度和横截面积根据如下公式计算：式中，R-发热体的电阻值；ρ-发热体的电阻率；L-发热体电阻的导带长度；S-发热体电阻的导带横截面积。
2.根据权利要求1所述的大型化学气相沉积电阻炉用C/C发热体的制造方法，其特征在于，步骤1)中12K聚丙烯腈炭纤维布与短切炭纤维网胎之间还铺设有一层炭纤维长丝。
3.根据权利要求1所述的大型化学气相沉积电阻炉用C/C发热体的制造方法，其特征在于，步骤2)中增密炭源气体为丙烯气体，其工艺参数如下：温度850～950℃，丙烯流量为40～80SLM，氮气流量为30～70SLM，压力为2.0～4.0KPa,沉积时间为350～500h。
4.根据权利要求1所述的大型化学气相沉积电阻炉用C/C发热体的制造方法，其特征在于，步骤2)中增密炭源气体为天然气和甲烷，其工艺参数如下：温度950～1050℃，天然气流量为50～100SLM，丙烷流量为12～30SLM，压力2.0～4.0KPa,沉积时间为300～400h。
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