CN110526730A - 一种增强型石墨发热体结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增强型石墨发热体结构及其制备方法，所述增强型石墨发热体结构制备方法包括以下步骤：S1、缠绕多层碳纤维布：在等静压石墨管外部喷涂热固性酚醛树脂，将碳纤维布缠绕至等静压石墨管外部并施加预紧力，每缠绕一层碳纤维布重新喷涂一层所述热固性酚醛树脂；S2、固化及碳化处理；S3、CVI沉积：将经过步骤S2碳化处理后的等静压石墨管放入CVI沉积设备中按照预设体积比充入碳源气体和稀释气体，并沉积，得到增强型石墨发热体结构。该增强型石墨发热体结构及其制备方法旨在解决现有技术中的石墨感应发热管抗拉强度低、生产成本高以及不利于均匀加热及热传导的技术问题。

Description

一种增强型石墨发热体结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及石墨发热体技术领域，尤其涉及一种增强型石墨发热体结构及其制备方法。
背景技术
目前，石墨感应发热管在具体应用时，高压气体需从高温的石墨感应发热管中通过，其速度通常会达到200m/s～300m/s，且高压气体会在石墨管内受热膨胀，石墨感应发热管承受高动压及气体膨胀压力，内部材料处于受拉状态，而石墨属于脆性材料，受压性能良好，但抗拉性能一般(等静压石墨抗拉强度为30MPa左右)，所以石墨感应发热管极易被从内部胀裂。炭炭复合材料抗拉强度高(可达130MPa以上)，可承受内部动压冲击，但因其生产工艺多且复杂，成本居高不下，同批次产品电阻率差异大，同时电阻率偏高(平均35Ωmm2/m)，在感应加热中将导致集肤效应加剧，电流的透入深度降低，不利于均匀加热及热传导。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于此，本发明提出了一种增强型石墨发热体结构及其制备方法，该增强型石墨发热体结构及其制备方法旨在解决现有技术中的石墨感应发热管抗拉强度低、生产成本高以及不利于均匀加热及热传导的技术问题。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出了一种增强型石墨发热体结构制备方法，其中，所述增强型石墨发热体结构制备方法包括以下步骤：
S1、缠绕多层碳纤维布：在等静压石墨管外部喷涂厚度为0.1mm～0.2mm的热固性酚醛树脂，将碳纤维布缠绕至等静压石墨管外部并施加预紧力，每缠绕一层碳纤维布重新喷涂一层所述热固性酚醛树脂；
S2、固化及碳化处理：将经过步骤S1处理后的等静压石墨管置于碳化设备中并在200℃～400℃的温度下保温2h～3h，以使所述热固性酚醛树脂固化成型；随后按照10℃/h～20℃/h的升温速度将所述碳化设备中的温度升至900℃～1200℃以对等静压石墨管进行碳化处理；
S3、CVI沉积：将经过步骤S2碳化处理后的等静压石墨管放入CVI沉积设备中并在1000℃～1200℃的温度以及9KPa～11KPa的压力下按照预设体积比充入碳源气体和稀释气体，并沉积5h～8h，得到增强型石墨发热体结构。
优选地，所述增强型石墨发热体结构制备方法包括：在所述步骤S1中，所述热固性酚醛树脂与碳纤维布交替包裹形成3mm～5mm的复合层。
优选地，所述增强型石墨发热体结构制备方法包括：在所述步骤S2中，使用低温碳化炉作为所述碳化设备。
优选地，所述增强型石墨发热体结构制备方法包括：在所述步骤S3中，使用甲烷作为所述碳源气体。
优选地，所述增强型石墨发热体结构制备方法包括：在所述步骤S3中，使用氩气作为所述稀释气体。
优选地，所述增强型石墨发热体结构制备方法包括：在所述步骤S3中，所述预设体积比为所述碳源气体：稀释气体＝1.5：5
此外，本发明还提供一种增强型石墨发热体结构，其中，所述增强型石墨发热体结构由上述的增强型石墨发热体结构制备方法制成。
此外，本发明还提供一种增强型石墨发热体结构，其中，所述增强型石墨发热体结构包括等静压石墨管以及依次交替设置在所述等静压石墨管外部的热固性酚醛树脂和碳纤维布。
(三)有益效果
本发明与现有技术对比，本发明的有益效果包括：
由于该强型石墨发热体结构制备方法采用了等静压石墨管和碳纤维布，静压石墨管作为感应石墨发热体管，电阻率低(平均12Ωmm2/m)且稳定，感应加热时温度均匀性透入深度良好，在石墨管的外部缠绕高性能碳纤维布复合层(抗拉强度可达3400MPa)，其抗拉性能远高于石墨，等静压石墨管承受动压时产生的膨胀应力最终将传递给缠绕的碳纤维布复合层，即此结构结合了石墨优异的发热性能及碳纤维布高模量、高强度的特点。复合层可以做到很薄薄且施工简单容易制备，可根据需求调整厚度，通过此方法制得的增强型石墨发热体结构能够在高动压环境下使用，而且此结构成本更低，结构简单可靠。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明的增强型石墨发热体结构制备方法的流程简图；
图2为本发明的实施方式的增强型石墨发热体结构置于压力容器中的结构图；
图3为图2中A处的放大图。
附图标记说明：
1、等静压石墨管，2、热固性酚醛树脂，3、碳纤维布，4、压力容器，5、CVI涂层。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
参见图1至图3，本发明提供一种增强型石墨发热体结构制备方法，其中，增强型石墨发热体结构制备方法包括以下步骤：
S1、缠绕多层碳纤维布3：在等静压石墨管1外部喷涂厚度为0.1mm～0.2mm的热固性酚醛树脂2，将碳纤维布3缠绕至等静压石墨管1外部并施加预紧力，从而可以保持等静压石墨管1自身的受压应力状态，每缠绕一层碳纤维布3重新喷涂一层热固性酚醛树脂2，具体为先喷涂热固性酚醛树脂2而后缠绕碳纤维布3，然后重复，其中热固性酚醛树脂2与碳纤维布3交替包裹形成3mm～5mm的复合层；
S2、固化及碳化处理：将经过步骤S1处理后的等静压石墨管1置于碳化设备中并在200℃～400℃的温度下保温2h～3h，以使热固性酚醛树脂2固化成型；随后按照10℃/h～20℃/h的升温速度将碳化设备中的温度升至900℃～1200℃以对等静压石墨管1进行碳化处理，热固性酚醛树脂2除氢碳化并形成化学键将等静压石墨与碳纤维布3、碳纤维布3与碳纤维布3之间连接为一体，此时复合层会有部分空隙；
S3、CVI(化学气相渗透)沉积：将经过步骤S2碳化处理后的等静压石墨管1放入CVI沉积设备中并在1000℃～1200℃的温度以及9KPa～11KPa的压力下按照预设体积比充入碳源气体和稀释气体，并沉积5h～8h，得到增强型石墨发热体结构，具体来说，沉积5h～8h后复合层空隙将会被沉积层填满，从而达到等静压石墨管1与外部复合层形成内外统一效果，复合层承受发热体整体张力，在通过高动压气体时能够抵消产生膨胀应力而不会从内部胀裂，从而保证设备可靠运行。
正如以上提到的，由于该强型石墨发热体结构制备方法采用了等静压石墨管1和碳纤维布3，静压石墨管作为感应石墨发热体管，电阻率低(平均12Ωmm2/m)且稳定，感应加热时温度均匀性透入深度良好，在石墨管的外部缠绕高性能碳纤维布3复合层(抗拉强度可达3400MPa)，其抗拉性能远高于石墨，等静压石墨管1承受动压时产生的膨胀应力最终将传递给缠绕的碳纤维布3复合层，即此结构结合了石墨优异的发热性能及碳纤维布3高模量、高强度的特点。复合层可以做到很薄薄且施工简单容易制备，可根据需求调整厚度，通过此方法制得的增强型石墨发热体结构能够在高动压环境下使用，而且此结构成本更低，结构简单可靠。
根据本发明的优选实施方式，可以根据等静压石墨管1内部的所需的动压范围计算将碳纤维布3缠绕至石墨管外部施加的预紧力，复合层的厚度也可以根据等静压石墨管1内部压力计算得出，具体的一组匹配数据可以是，对于管径为300mm的情况，内部压力25Mpa,复合层厚度约3.3mm，预紧力750N；内部压力30Mpa,复合层厚度约4mm，预紧力900N；内部压力35Mpa,复合层厚度约4.7mm，预紧力1100N。且本发明不限于此，可以根据实际需要来调整这些参数。
根据本发明的优选实施方式，在步骤S2中，使用低温碳化炉作为碳化设备，在步骤S3中，使用甲烷作为碳源气体，使用氩气作为稀释气体。预设体积比为碳源气体：稀释气体＝1.5：5。当然，本发明显然不限于此，只要能够实现本发明的目的，采用类似化学性质的碳源气体和稀释气体都是允许的，它们对应的充入体积比也可以根据实际需要进行调整，这些改变或调整后的方案都将落入本发明的保护范围。
此外，参见图2和图3，本发明还提供一种增强型石墨发热体结构，增强型石墨发热体结构由上述的增强型石墨发热体结构制备方法制成。或者，还提供一种增强型石墨发热体结构，其中，增强型石墨发热体结构包括等静压石墨管1以及依次交替设置在等静压石墨管1外部的热固性酚醛树脂2和碳纤维布3，正如之前提到的，依次交替设置具体指的是先设置热固性酚醛树脂2，然后再设置碳纤维布3，如此重复即可，此外，可以理解的是，即使不采用本发明提供的增强型石墨发热体结构制备方法，只要具备类似的增强型石墨发热体结构包括等静压石墨管1以及依次交替设置在等静压石墨管1外部的热固性酚醛树脂2和碳纤维布3的结构，也将落入本发明的保护范围。从图2和图3可以看出，该增强型石墨发热体结构置于压力容器4中，图3示出了最外侧的碳纤维布3的外侧具有CVI涂层5。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种增强型石墨发热体结构制备方法，其特征在于，所述增强型石墨发热体结构制备方法包括以下步骤：
S1、缠绕多层碳纤维布：在等静压石墨管外部喷涂厚度为0.1mm～0.2mm的热固性酚醛树脂，将碳纤维布缠绕至等静压石墨管外部并施加预紧力，每缠绕一层碳纤维布重新喷涂一层所述热固性酚醛树脂；
S2、固化及碳化处理：将经过步骤S1处理后的等静压石墨管置于碳化设备中并在200℃～400℃的温度下保温2h～3h，以使所述热固性酚醛树脂固化成型；随后按照10℃/h～20℃/h的升温速度将所述碳化设备中的温度升至900℃～1200℃以对等静压石墨管进行碳化处理；
S3、CVI沉积：将经过步骤S2碳化处理后的等静压石墨管放入CVI沉积设备中并在1000℃～1200℃的温度以及9KPa～11KPa的压力下按照预设体积比充入碳源气体和稀释气体，并沉积5h～8h，得到增强型石墨发热体结构。
2.根据权利要求1所述的增强型石墨发热体结构制备方法，其特征在于，所述增强型石墨发热体结构制备方法包括：在所述步骤S1中，所述热固性酚醛树脂与碳纤维布交替包裹形成3mm～5mm的复合层。
3.根据权利要求1所述的增强型石墨发热体结构制备方法，其特征在于，所述增强型石墨发热体结构制备方法包括：在所述步骤S2中，使用低温碳化炉作为所述碳化设备。
4.根据权利要求1所述的增强型石墨发热体结构制备方法，其特征在于，其特征在于，所述增强型石墨发热体结构制备方法包括：在所述步骤S3中，使用甲烷作为所述碳源气体。
5.根据权利要求1所述的增强型石墨发热体结构制备方法，其特征在于，其特征在于，所述增强型石墨发热体结构制备方法包括：在所述步骤S3中，使用氩气作为所述稀释气体。
6.根据权利要求1所述的增强型石墨发热体结构制备方法，其特征在于，其特征在于，所述增强型石墨发热体结构制备方法包括：在所述步骤S3中，所述预设体积比为所述碳源气体：稀释气体＝1.5：5 。
7.一种增强型石墨发热体结构，其特征在于，所述增强型石墨发热体结构由根据权利要求1至6中任意一项所述的增强型石墨发热体结构制备方法制成。
8.一种增强型石墨发热体结构，其特征在于，所述增强型石墨发热体结构包括等静压石墨管以及依次交替设置在所述等静压石墨管外部的热固性酚醛树脂和碳纤维布。
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