CN110978569B - 一种板材cvi工艺中气体流场结构 - Google Patents

一种板材cvi工艺中气体流场结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种板材CVI工艺中气体流场结构，包括进气口结构部分、板材精确定位结构部分和出气口结构部分，进气口结构部分包括依次装配的进气管、进气连接孔板和进气阵列多孔板；板材精确定位结构部分包括装在沉积罩内的立式装料的碳/碳板材；或板材精确定位结构部分包括装在沉积罩内的平铺装料的碳/碳板材；出气口结构部分包括依次装配的出气阵列多孔板、出气连接孔板和出气管。通过将等温等压CVI工艺与本发明的工装结合可实现快速制备密度均匀的碳/碳板材。通过本发明制备的碳/碳板材工艺时间短、沉积密度均匀、制备周期短和成本低。

Description

一种板材CVI工艺中气体流场结构
技术领域
本发明涉及一种板材CVI工艺中气体流场结构。
背景技术
多晶硅铸锭炉用碳/碳复合材料板材的制备工艺主要有三种：第一种使用针刺网胎无维布叠层的碳纤维预制体作为增强骨架，经过多次CVI增密和机加去壳循环，达到一定密度后进行高温热处理，加工至成品尺寸后进行热解碳涂层得到碳/碳板材；第二种使用针刺网胎无维布叠层的碳纤维预制体作为增强骨架，经过多次树脂浸渍和碳化循环，达到一定密度后进行高温热处理，加工至成品尺寸后进行热解碳涂层得到碳/碳板材；第三种使用碳布预浸料层压成型树脂板作为原材料，树脂板碳化后，再经过多次树脂浸渍碳化循环，达到一定密度后进行高温热处理，加工至成品尺寸后进行热解碳涂层得到碳/碳板材。
CVI工艺对碳纤维损伤最小，而且热解碳与碳纤维的界面结合强度高，因此叠层针刺预制体+纯CVI工艺制备的板材力学性能高而且使用寿命长，但其预制体和CVI工艺周期长，CVI工艺时间通常要1.5～2月，而且传统的圆柱形装炉量特别小，通常20-30片，成本比较高。
叠层针刺预制体+多次树脂浸渍和碳化工艺相对传统的CVI工艺制备周期(1-1.5月)有所缩短和成本有所降低，但该工艺制备的板材力学性能较差和寿命均较低。
层压成型树脂板+多次浸渍碳化工艺能较大缩短预制体制备周期和提高生产板材成型效率，但仍存在碳化后板材分层等不可控风险，因而目前市场上应用受到局限。
发明内容
为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出一种板材CVI工艺中气体流场结构。
本发明可通过以下技术方案予以解决：
一种板材CVI工艺中气体流场结构，包括进气口结构部分、板材精确定位结构部分和出气口结构部分，所述进气口结构部分包括依次装配的进气管、进气连接孔板和进气阵列多孔板；所述板材精确定位结构部分包括装在沉积罩内的立式装料的碳/碳板材；或所述板材精确定位结构部分包括装在沉积罩内的平铺装料的碳/碳板材；所述出气口结构部分包括依次装配的出气阵列多孔板、出气连接孔板和出气管。
其中，每两个所述进气管共用一个独立供气管。
其中，所述进气管末端连接到对应所述进气连接孔板上，该进气连接孔板上开有锥形喇叭孔，锥底或喇叭口朝向所述碳/碳板材，进气气流通过所述阵列多孔板进入含有所述碳/碳板材的沉积区域。
其中，所述进气阵列多孔板上的每排孔正好与每相邻板材的间隙对齐。
其中，所述板材精确定位结构部分还包括上、下定位石墨柱，该上、下定位石墨柱上分别设有等间隙卡槽，每张所述立式装料的碳/碳板材通过两端的凸起挂装在所述卡槽上。
其中，所述板材精确定位结构部分还包括矩形阵列的石墨垫片、层间支撑板，每张碳/碳板材平铺叠起，相邻碳/碳板材之间放置所述矩形阵列的石墨垫片。
其中，根据装炉量分层放置所述碳/碳板材，每层的碳/碳板材数量不超过25张，层与层之间用石墨板隔开，每层石墨板通过所述层间支撑板支撑。
其中，气体从所述碳/碳板材间间隙出来后通过所述出气阵列多孔板进行分散，所述出气阵列多孔板的每排孔正好与碳/碳板材间隙对齐，气体通过所述出气阵列多孔板后进入连接有出气管的所述出气连接孔板排出炉腔。
其中，所述出气口结构部分中的出气阵列多孔板、出气连接孔板和出气管的直径均大于相应的所述进气口结构部分中的进气阵列多孔板、进气连接孔板和进气管的直径。
其中，所述沉积罩由石墨板或碳/碳板拼接而成。
有益效果
本发明使用碳布预浸料层压成型树脂板作为原材料，树脂板碳化后再经过CVI工艺快速增密达到一定密度后进行高温热处理，加工至成品尺寸后进行热解碳涂层得到碳/碳板材。碳布预浸料层压成型树脂板相对于叠层针刺预制体能够较大缩短制备周期和提高生产效率。碳化后的层压树脂板具有一定密度，经过CVI能快速达到所需密度并较大提高板材力学强度。通过本发明使用CVI工艺专门针对板材CVI增密设计阵列式进出气口和在板材间形成窄缝。阵列式进出气口设计能够形成均匀无死角的反应气层流场，提高一次增密板材密度的均匀性。板材与板材的窄缝使气体限定在一个狭窄区域内流动，同时控制其在窄缝中的滞留时间。窄缝流动的好处是在热解碳沉积过程中，预制体表面不易结壳，从而可以使板材一次性快速沉积到比较高的密度。
通过将等温等压CVI工艺与本发明的工装结合可实现快速制备密度均匀的碳/碳板材。通过本发明制备的碳/碳板材工艺时间短、沉积密度均匀、制备周期短和成本低。
附图说明
图1为板材立式装料结构示意图；
图2为进气石墨管结构示意图；
图3为进气连接孔板结构示意图；
图4为进气测板结构示意图；
图5为进气阵列多孔板结构示意图；
图6为碳/碳板材的一实施例结构示意图；
图7为上、下定位石墨柱结构示意图；
图8为侧面封气板结构示意图；
图9为侧面支撑板结构示意图；
图10为板材立式装料结构示意图
图11为碳/碳板材另一实施例结构示意图；
图12为垫片结构示意图；
图13为盖板结构示意图；
图14为层间支撑板结构示意图；
图15为侧面封气板结构示意图；
图16为底部支撑板结构示意图。
图1中
1-进气石墨管；2-进气连接孔板；3-进气侧板；4-进气阵列多孔板；5-碳/碳板材；6-上、下定位石墨杆；7-侧面支撑板；8-出气阵列多孔板、9-出气侧板、10-出气连接孔板和11-出气石墨管；12-侧面封气板
图10中
1-进气石墨管；2-进气连接孔板；3-进气侧板；4-进气阵列多孔板；5-碳/碳板材；66-盖板；77-层间支撑板；8-出气阵列多孔板、9-出气侧板、10-出气连接孔板和11-出气石墨管；12-侧面封气板；13-垫片；14-底部支撑板
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
如图1和10所示，一种板材CVI工艺中气体流场结构，包括进气口结构部分、板材精确定位结构部分和出气口结构部分，其中进气口结构部分包括依次装配的进气石墨管1(如图2所示)、进气连接孔板2(图3所示)和进气阵列多孔板4(图5所示)，进气连接孔板2通过卡槽固定在进气侧板3(图4所示)上；气体从炉腔外通过多路独立供气管进来后分配到每个进气石墨管1，为保证每个进气石墨管1的气流量均衡，每两个进气石墨管1共用一个独立供气管。进气石墨管1具有一定长度确保反应气体进去工件前能预热到一定温度。进气石墨管1末端连接到对应整列进气连接孔板2上，进气连接孔板2上开有锥形喇叭孔，锥底或喇叭口朝向工件，这能抑制射流产生和均匀分散气流。均匀分散气流最后通过阵列多孔板4进入含有工件的沉积区域。阵列多孔板4上的每排孔正好与每相邻板材的间隙对齐。这确保气流尽可能限制在板材与板材间的窄缝中流过。
板材精确定位结构部分包括2种结构，其中一种立式结构，包括装在石墨或碳/碳沉积罩内的立式装料的碳/碳板材5(图6所示)和上、下定位石墨柱6(图7所示)，该上、下定位石墨柱6上分别设有等间隙卡槽，每张立式装料的碳/碳板材5通过两端的凸起挂装在卡槽上，其中，石墨或碳/碳沉积罩由石墨板或碳/碳板拼接而成，图1中所示，由侧面支撑板7和侧面封气板12通过卡槽连接；出气口结构设计，包括依次装配的出气阵列多孔板8、出气侧板9、出气连接孔板10和出气石墨管11，其中出气连接孔板10通过卡槽固定在出气侧板9上。其中，石墨或碳/碳沉积罩由石墨板或碳/碳板拼接而成，如图1所示，由侧面支撑板7(图9所示)和侧面封气板12(图8所示)通过卡槽连接而成。
板材精确定位结构部分的另一种结构为平铺式，包括装在石墨或碳/碳沉积罩内的平铺装料的碳/碳板材5(图11所示)，盖板66(图13所示)、垫片13(图12所示)、层间支撑板77(图14所示)，每张碳/碳板材5平铺叠起，相邻碳/碳板材5之间放置矩形石墨垫片13来确保气流通道。为确保间隙均匀和板材受力不均匀变形，相邻碳/碳板材之间放置矩形阵列的石墨垫片12，另外根据装炉量分层放置碳/碳板材5，每层的碳/碳板材数量不超过25张或更少，层与层之间用石墨盖板66隔开，每层石墨盖板66通过层间支撑板77支撑。装料的板材区域均处于石墨或碳/碳的沉积罩内，限定气体在沉积罩内，防止气体在非装料的区域反应生成炭黑和对装料区域产生不良影响。其中石墨或碳/碳沉积罩由石墨板或碳/碳板拼接而成，如图10所示，由侧面封气板12(图15所示)和底部支撑板14(图16所示)通过卡槽连接而成。
出气口结构部分依次装配的出气阵列多孔板8、出气连接孔板10和出气石墨管11，出气连接孔板10通过卡槽固定在出气侧板9上，气体从板材间间隙出来后通过出气阵列多孔板8进行分散。出气阵列多孔板8的每排孔正好与板材间隙对齐。裂解的反应气通过出气阵列多孔板8分散后有利于消除气体聚集而产生炭黑。反应后的气体通过出气阵列多孔板8后进入连接有出气石墨管11的出气连接孔板10排出炉腔。为防止堵塞，出气构中的孔板和管口直径均需大于相应的进气管和孔板。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种板材CVI工艺中气体流场结构，其特征在于，包括进气口结构部分、板材精确定位结构部分和出气口结构部分，
所述进气口结构部分包括依次装配的进气管、进气连接孔板和进气阵列多孔板；
所述板材精确定位结构部分包括装在沉积罩内的立式装料的碳/碳板材； 或
所述板材精确定位结构部分包括装在沉积罩内的平铺装料的碳/碳板材；
所述出气口结构部分包括依次装配的出气阵列多孔板、出气连接孔板和出气管；每两个所述进气管共用一个独立供气管；所述进气管末端连接到对应所述进气连接孔板上，该进气连接孔板上开有锥形喇叭孔，锥底或喇叭口朝向所述碳/碳板材，进气气流通过所述阵列多孔板进入含有所述碳/碳板材的沉积区域；所述进气阵列多孔板上的每排孔正好与每相邻板材的间隙对齐。
2.根据权利要求1所述的板材CVI工艺中气体流场结构，其特征在于，所述板材精确定位结构部分还包括上、下定位石墨柱，该上、下定位石墨柱上分别设有等间隙卡槽，每张所述立式装料的碳/碳板材通过两端的凸起挂装在所述卡槽上。
3.根据权利要求1所述的板材CVI工艺中气体流场结构，其特征在于，所述板材精确定位结构部分还包括矩形阵列的石墨垫片、层间支撑板，每张碳/碳板材平铺叠起，相邻碳/碳板材之间放置所述矩形阵列的石墨垫片。
4.根据权利要求3所述的板材CVI工艺中气体流场结构，其特征在于，根据装炉量分层放置所述碳/碳板材，每层的碳/碳板材数量不超过25张，层与层之间用石墨板隔开，每层石墨板通过所述层间支撑板支撑。
5.根据以上权利要求1-4中任一项所述的板材CVI工艺中气体流场结构，其特征在于，气体从所述碳/碳板材间间隙出来后通过所述出气阵列多孔板进行分散，所述出气阵列多孔板的每排孔正好与碳/碳板材间隙对齐，气体通过所述出气阵列多孔板后进入连接有出气管的所述出气连接孔板排出炉腔。
6.根据权利要求5所述的板材CVI工艺中气体流场结构，其特征在于，所述出气口结构部分中的出气阵列多孔板、出气连接孔板和出气管的直径均大于相应的所述进气口结构部分中的进气阵列多孔板、进气连接孔板和进气管的直径。
7.根据权利要求1所述的板材CVI工艺中气体流场结构，其特征在于，所述沉积罩由石墨板或碳/碳板拼接而成。
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