CN108752030A - 一种SiC泡沫内填充Cf/C-玻璃碳超高温真空隔热圆管的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种SiC泡沫内填充C _f /C‑玻璃碳超高温真空隔热圆管的制备方法，其特征在于包括以下顺序步骤：（1）在石英玻璃圆管模具的内外表面沿管长方向紧贴管壁缠绕碳纤维预浸布作为纤维外壳层；（2）将预制体放入高温裂解炉中裂解；（3）将处理后的预制体放入高温裂解炉中，通入丙烯、氩气，沉积得到热解碳；（4）将处理后的预制体放入装有酚醛树脂溶液的真空压力浸渍罐中加压浸渍；（5）将处理后的预制体在10~150℃之间进行缓慢固化；（6）固化后，将碳纤维编织件放入高温裂解炉中裂解；（7）脱模处理；（8）将SiC泡沫填充进中空的C _f /C‑玻璃碳外壳内，填充完成后用预浸布将断口包覆；（9）将步骤(8)完成的样品放入化学气相沉积炉中，通入三氯甲基硅烷、氩气和氢气，得到致密SiC涂层。

Description

一种SiC泡沫内填充Cf/C-玻璃碳超高温真空隔热圆管的制备 方法

技术领域

本发明涉及一种真空隔热圆管的制备方法，特别是涉及一种SiC泡沫内填充C _f /C-玻璃碳超高温真空隔热圆管的制备方法。

背景技术

碳碳（C _f /C）复合材料是以碳纤维或各种碳纤维织物作为骨架，在碳纤维周围填充热解碳或树脂碳而形成的复合材料，也被称为碳纤维增强碳基复合材料。因该材料整个体系均为碳元素构成，所以不论它是在低温还是在高温下，都有很好的稳定性；具备低热膨胀系数、高热导率、高气化温度和良好的抗热震性能、抗烧烛性能等热性能，使其可应用于短时间烧烛的环境中；密度低（仅为陶瓷材料的，镇基高温合金的摩擦磨损性能优异，摩擦系数小、性能稳定，使其成为各种耐磨件与摩擦件的最佳候选材料；此外，优异的高温力学性能，如高强度、高模量、良好的断裂韧性，以及其强度随温度的增加不降反升的特性，使其成为世纪的关键新材料之一。以上的优异性能使得复合材料在航空航天，医用和工业等领域得到广泛应用，如：航空航天领域，C/C复合材料作为刹车盘，火箭发动机的喉衬和喷管，飞行器鼻锥帽，机翼前缘等；医用领域，C/C复合材料可作为人工骨豁和紧固材料，还可用作牙根植入口腔中；机械制造领域，C/C复合材料作为真空炉发热体、热压与超塑性模具材料，使用寿命远远高于石墨材料。另外，还可用于发动机活塞与活塞环、汽车刹车用材料和各种高性能密封材料等；在生产单、多晶娃及半导体材料领域，C/C复合材料讲祸托、发热体、保温筒、紧固件）能满足各种大尺寸的热场要求；在有色金属、钢铁冶金领域，C/C复合材料可以作为高温导热承力部件和紧固件；此外，还可以应用于生产玻璃时用复合材料代替石棉制造格融玻璃的滑道；卫星通讯抛物面无线电天线反射器；核反应堆中无线电频率限幅器等。

玻璃炭属於特殊炭材料,是树脂炭家族中的一个成员。它兼有炭材料和玻璃的特性，它的热和电性能与其它炭材料相似，又和玻璃一样,在其自身的结构里没有开孔呈不透气性,机械性能也与玻璃相似，且具有特殊的玻璃形状的断口和光泽。在20世纪60年代初,随着原子能反应堆的发展,引起了人们对高温气体冷却反应堆用不透气性石墨的关注。为了用于高温气体冷却型原子反应堆,最初的研究者是把玻璃炭作为包铀燃料的外壳来制造的。由于玻璃炭的突出性能表现在耐氧化及耐化学腐蚀、不透气性、高导电和高导热性、耐磨擦、耐烧蚀、纯度高、不沾污和良好的生物相容性,因而它被广泛地应用于电子工业、半导体工业、冶金工业、化学工业、核工业、宇航和医学研究等各个领域。例如在硅外延生长工程中所必需的加热板,用于制作化合物半导体(如Ga As)的单晶,制作成直线加速器用的狭缝,制作成玻璃炭电极和把玻璃炭颗粒做为气相色谱用的充填材料,制作成高温腐蚀性气氛用的温度计的保护管和气体吹入管、搅拌棒(电子工业用浸蚀溶液)和低温热敏电阻温度计。玻璃炭亦可做为闪烁计数器、光激射器等用的卤化硷巨大单晶、光学工业硫化镉制造用的容器、无硷玻璃制造用的坩埚、金属熔敷用电极和金属熔出用电极以及用玻璃炭制作的人造假体作为移植材料应用于医学(如人工心脏瓣)和牙科的许多方面。近年来,对高密度玻璃炭薄膜用于燃料电池的需求也逐渐地增加。它对热H3 PO4 的耐腐蚀性很好,作为火箭喷咀材料更受注目,前途不可限量。SiC泡沫属于多孔陶瓷的一种，多孔陶瓷是20 世纪70年代发展起来的一种新型材料，具有高透过性，比表面积大，密度小，耐高温，耐腐蚀等优点，已应用于熔融金属过滤、催化剂载体、汽车尾气净化、热交换器、吸音降噪等传统领域和传感器、生物材料及微孔膜等新兴领域。

申请号为CN201010137748.8的专利提出了一种基于玻璃碳和碳纳米管的复合薄板的制备方法。其特征在于，通过在温度低于2500℃将聚酰亚胺前驱体薄膜经碳化处理，得到基于玻璃碳和碳纳米管的复合薄板，将聚酰亚胺前驱体薄膜夹在两块经精密抛光的石墨片之间，在惰性气体保护下，从室温开始以0.2～20℃/分的速度升温至900～1200℃并保温1～5小时，再经2000～2500℃高温处理制备得到基于玻璃碳和碳纳米管的高强度复合薄板。

申请号为CN200910137485.8的专利提供了一种碳纤维增强型碳复合材料及其生产方法。所述碳复合材料包含：具有结晶性碳基粉末和玻璃碳的基体和碳纤维。在所述碳复合材料中硫的质量含量小于或等于5ppm。另外，本发明还提供了一种生产所述碳复合材料的方法。所述方法包括精炼碳纤维增强型碳复合材料，所述碳纤维增强型碳复合材料包含：包含结晶性碳基粉末和玻璃碳的基体和碳纤维。所述精炼包括：将精炼炉抽真空后将所述碳复合材料在1800℃~2400℃加热；交替重复进行引入卤素类气体至大于或等于50kPa的第一步骤和抽真空至小于或等于20kPa的第二步骤。

以上两个发明一定程度上利用玻璃碳的优良性能制备出增强型碳碳复合材料。申请号为201511032983.8的中国专利虽然提出了一种基于玻璃碳和碳纳米管的复合薄板的制备方法，但其导热系数较大，隔热性能差，若在极端温度下使用，构件不具备良好的工作环境。申请号为CN200910137485.8的专利公布了一种以碳-玻璃碳为基体的碳碳复合材料，使材料具备了很高的强度，但隔热性能仍然很差，无法维持良好的工作环境。该方法提供一种SiC泡沫内填充C _f /C-玻璃碳超高温真空隔热圆管的制备方法，使材料在具备高强度的同时还具有优良的隔热性能，但该方法需要非常长时间的固化热解，耗能量巨大，周期很长，尚不足以大量生产。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种SiC泡沫内填充C _f /C-玻璃碳超高温真空隔热圆管的制备方法，其特征在于包括以下顺序步骤：

（1）在石英玻璃圆管模具的内外表面沿管长方向紧贴管壁缠绕碳纤维预浸布作为纤维外壳层，石英玻璃圆管模具长为1~30cm，内直径为10~100mm，壁厚2~10mm，缠绕完成后，石英玻璃圆管模具完全被碳纤维外壳包覆，内嵌的石英玻璃圆管模和碳纤维外壳共同构成预制体，单层预浸布厚度为0.1~1mm，单侧碳纤维外壳厚度为1~10mm；

（2）将预制体放入高温裂解炉中，炉内压力为10~1000Pa，炉内温度为900~1100℃，通入氩气，保温 1~5h后停止通气，待炉内温度降低到室温后取出样品，测量得到碳纤维外壳的气孔率为50%~60%；

（3）将处理后的预制体放入高温裂解炉中，炉内压力为10~1000Pa，炉内温度为900~1100℃，通入丙烯、氩气，沉积4~10h后停止通气，待炉内温度降低到室温后取出样品，测量得到碳纤维外壳的气孔率降为35%~45%；

（4）将处理后的预制体放入装有酚醛树脂溶液的真空压力浸渍罐中，罐内压力为0.4~1.5MPa，放置2~5h后取出。

（5）将处理后的预制体放入控温马弗炉中，在10~150℃之间进行缓慢固化，升温速率为0.01~1℃/min，待炉内温度降低到室温后取出样品；

（6）固化后，将碳纤维编织件放入高温裂解炉中，炉内呈真空状态，样品从室温缓慢升温到900~1200℃，升温速率为0.01~0.1℃/min，得到玻璃碳待炉内温度降低到室温后取出样品，测量得到碳纤维外壳气孔率降低到0.5%以下；

（7）脱模处理，在距离样品底部1~5mm处横向切断，然后将样品断口朝下悬置于高温裂解炉中，并在正下方放置一个耐高温容器，炉内压力为10~1000Pa，炉内温度为1500~2200℃，通入氩气， 1~5h后停止通气，待炉内温度降低到室温后取出样品，得到中空的C _f /C-玻璃碳外壳；

（8）将SiC泡沫填充进中空的C _f /C-玻璃碳外壳内，填充完成后用预浸布将断口包覆，重复步骤(2)~(6)；

（9）将步骤(8)完成的样品放入化学气相沉积炉中，通入三氯甲基硅烷、氩气和氢气，炉内压力为10~1000Pa，沉积温度为1100~1200℃，沉积时间为10~50h，在碳纤维外壳表面获得致密SiC涂层，待炉内温度降低到室温后取出样品。

本发明的优点：（1）所制备材料能在1600℃以上的环境下使用；（2）所制备材料强度高，密度小，适用范围广；（3）该材料隔热性能好，确保管外良好的工作环境。

附图说明

图1为一种SiC泡沫内填充C _f /C-玻璃碳超高温真空隔热圆管的示意图。

图1中，1为C _f /C-玻璃碳复合材料；2为SiC泡沫；3为C _f /C-玻璃碳复合材料。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。

实施例1

1.一种SiC泡沫内填充C _f /C-玻璃碳超高温真空隔热圆管的制备方法，其特征在于包括以下顺序步骤：

（1）在石英玻璃圆管模具的内外表面沿管长方向紧贴管壁缠绕碳纤维预浸布作为纤维外壳层，石英玻璃圆管模具长为10cm，内直径为50mm，壁厚5mm，缠绕完成后，石英玻璃圆管模具完全被碳纤维外壳包覆，内嵌的石英玻璃圆管模和碳纤维外壳共同构成预制体，单层预浸布厚度为0.5mm，单侧碳纤维外壳厚度为2mm；

（2）将预制体放入高温裂解炉中，炉内压力为1000Pa，炉内温度为1000℃，通入氩气，保温 2h后停止通气，待炉内温度降低到室温后取出样品，测量得到碳纤维外壳的气孔率为55%；

（3）将处理后的预制体放入高温裂解炉中，炉内压力为1000Pa，炉内温度为1000℃，通入丙烯、氩气，沉积10h后停止通气，待炉内温度降低到室温后取出样品，测量得到碳纤维外壳的气孔率降为40%；

（4）将处理后的预制体放入装有酚醛树脂溶液的真空压力浸渍罐中，罐内压力为0.4MPa，放置3h后取出。

（5）将处理后的预制体放入控温马弗炉中，在10~150℃之间进行缓慢固化，升温速率为0.01℃/min，待炉内温度降低到室温后取出样品；

（6）固化后，将碳纤维编织件放入高温裂解炉中，炉内呈真空状态，样品从室温缓慢升温到1000℃，升温速率为0.01℃/min，得到玻璃碳待炉内温度降低到室温后取出样品，测量得到碳纤维外壳气孔率降低到0.5%以下；

（7）脱模处理，在距离样品底部2mm处横向切断，然后将样品断口朝下悬置于高温裂解炉中，并在正下方放置一个耐高温容器，炉内压力为1000Pa，炉内温度为1900℃，通入氩气，2h后停止通气，待炉内温度降低到室温后取出样品，得到中空的C _f /C-玻璃碳外壳；

（8）将SiC泡沫填充进中空的C _f /C-玻璃碳外壳内，填充完成后用预浸布将断口包覆，重复步骤(2)~(6)；

（9）将步骤(8)完成的样品放入化学气相沉积炉中，通入三氯甲基硅烷、氩气和氢气，炉内压力为1000Pa，沉积温度为1200℃，沉积时间为50h，在碳纤维外壳表面获得致密SiC涂层，待炉内温度降低到室温后取出样品；

上述仅为本发明的一个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种SiC泡沫内填充C _f /C-玻璃碳超高温真空隔热圆管的制备方法，其特征在于包括以下顺序步骤：

（1）在石英玻璃圆管模具的内外表面沿管长方向紧贴管壁缠绕碳纤维预浸布作为纤维外壳层，石英玻璃圆管模具长为1~30cm，内直径为10~100mm，壁厚2~10mm，缠绕完成后，石英玻璃圆管模具完全被碳纤维外壳包覆，内嵌的石英玻璃圆管模和碳纤维外壳共同构成预制体，单层预浸布厚度为0.1~1mm，单侧碳纤维外壳厚度为1~10mm；

（2）将预制体放入高温裂解炉中，炉内压力为10~1000Pa，炉内温度为900~1100℃，通入氩气，保温 1~5h后停止通气，待炉内温度降低到室温后取出样品，测量得到碳纤维外壳的气孔率为50%~60%；

（3）将处理后的预制体放入高温裂解炉中，炉内压力为10~1000Pa，炉内温度为900~1100℃，通入丙烯、氩气，沉积4~10h后停止通气，待炉内温度降低到室温后取出样品，测量得到碳纤维外壳的气孔率降为35%~45%；

（4）将处理后的预制体放入装有酚醛树脂溶液的真空压力浸渍罐中，罐内压力为0.4~1.5MPa，放置2~5h后取出；

（5）将处理后的预制体放入控温马弗炉中，在10~150℃之间进行缓慢固化，升温速率为0.01~1℃/min，待炉内温度降低到室温后取出样品；

（6）固化后，将碳纤维编织件放入高温裂解炉中，炉内呈真空状态，样品从室温缓慢升温到900~1200℃，升温速率为0.01~0.1℃/min，得到玻璃碳待炉内温度降低到室温后取出样品，测量得到碳纤维外壳气孔率降低到0.5%以下；

（7）脱模处理，在距离样品底部1~5mm处横向切断，然后将样品断口朝下悬置于高温裂解炉中，并在正下方放置一个耐高温容器，炉内压力为10~1000Pa，炉内温度为1500~2200℃，通入氩气， 1~5h后停止通气，待炉内温度降低到室温后取出样品，得到中空的C _f /C-玻璃碳外壳；

（8）将SiC泡沫填充进中空的C _f /C-玻璃碳外壳内，填充完成后用预浸布将断口包覆，重复步骤(2)~(6)；

（9）将步骤(8)完成的样品放入化学气相沉积炉中，通入三氯甲基硅烷、氩气和氢气，炉内压力为10~1000Pa，沉积温度为1100~1200℃，沉积时间为10~50h，在碳纤维外壳表面获得致密SiC涂层，待炉内温度降低到室温后取出样品。