CN111875402B - 一种纤维缠绕强化石墨发热管结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤维缠绕强化石墨发热管结构的制备方法，该方法包括：一、将石墨发热管进行预处理；二、对预处理后的石墨发热管进行连续炭纤维干纱缠绕；三、形成干纱缠绕强化层；四、制备抗氧化涂层，得到纤维缠绕强化石墨发热管结构；本发明还公开了一种采用该方法制备的纤维缠绕强化石墨发热管结构。本发明对预处理后的石墨发热管进行干纱带张力缠绕，然后依次结合CVI和CVD工艺分别进行增密和表面涂层处理，使得纤维缠绕强化石墨发热管具有较好的抗折强度、抗抗拉强度、抗热震性以及抗氧化性，使用寿命得到显著延长，制备周期缩短；本发明的纤维缠绕强化石墨发热管结构简单可靠，满足了各种类型石墨发热管的应用需求。

Description

一种纤维缠绕强化石墨发热管结构及其制备方法
技术领域
本发明属于石墨发热体技术领域，具体涉及一种纤维缠绕强化石墨发热管结构及其制备方法。
背景技术
目前，石墨发热管由于质脆、抗折强度较差等固有特点，在使用和维护过程中容易发生损坏。特别是在采用感应加热的方式时，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，所以石墨感应发热管极易胀裂引起失效。
炭/炭复合材料尽管具有质轻、高强、断裂韧性较好等优点，但由于其生产工艺复杂、成本较高、电学稳定性较差，因此目前尚难以代替石墨发热管进行广泛应用。专利【CN201910862110.1】公开了一种增强型石墨发热体结构及其制备方法，通过酚醛树脂的喷涂和炭纤维布的缠绕，并结合固化、炭化和化学气相渗透（CVI）工艺处理，得到增强型石墨发热体结构。上述方法应用炭布缠绕成型技术结合增密技术获得了增强型石墨发热体结构，但存在以下问题尚未解决：（1）对石墨加热管而言，由于其一般为细长空心结构，在缠绕过程中容易发生折断损伤，不利于缠绕进行；（2）缠绕层从内到外为同样的结构，难以满足不同应用环境对抗折强度、抗抗拉、抗气流冲刷、抗热冲击性的不同要求；（3）增密工序较长，不利于生产周期的缩短和生产成本的降低；（4）表面未进行涂层处理，抗氧化性较差，不利于进一步延长使用寿命。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种纤维缠绕强化石墨发热管结构的制备方法。该方法对预处理后的石墨发热管进行干纱带压力缠绕，然后依次结合CVI和CVD工艺分别进行增密和表面涂层处理，提高了纤维缠绕强化石墨发热管的界面结合性能，制备的纤维缠绕强化石墨发热管具有较好的抗折强度、抗抗拉强度、抗热震性以及抗氧化性，且使用寿命得到显著延长，制备周期缩短。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种纤维缠绕强化石墨发热管结构的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、石墨发热管预处理：将石墨发热管放置于真空浸渍炉进行树脂真空浸渍，然后进行固化，完成预处理工艺；
步骤二、干纱缠绕：将步骤一中经预处理后的石墨发热管安装在缠绕机上，然后采用连续炭纤维干纱在石墨发热管的表面按照设计缠绕线型进行缠绕，所述缠绕过程中对连续炭纤维干纱施加压力；
步骤三、化学气相渗透增密：将步骤二中经干纱缠绕后的石墨发热管放入化学气相渗透设备中进行化学气相渗透增密，形成干纱缠绕强化层；
步骤四、表面抗氧化涂层制备：将步骤三中经化学气相渗透增密后的石墨发热管放入化学气相沉积设备中并通入前驱体和稀释气体，在干纱缠绕强化层表面进行化学气相沉积制备抗氧化涂层，得到纤维缠绕强化石墨发热管结构。
本发明首先对石墨发热管进行树脂真空浸渍和固化预处理，使得树脂充分填充在石墨发热管的孔隙内并在内外表面均匀附着，经固化后在石墨发热管的外表面形成树脂增强增韧层，明显改善了石墨发热管的脆性、断裂韧性和抗折强度，满足了工业上常用的长度500mm~2000mm、外径30mm~100mm、壁厚10mm~35mm的石墨发热管干纱缠绕工艺的需求；然后在经预处理后的石墨发热管表面进行炭纤维干纱带压力缠绕，使得炭纤维更为舒展，性能得以充分发挥；再通过化学气相渗透（CVI）进行增密处理形成干纱缠绕强化层，使得石墨发热管上的干纱缠绕强化层孔隙被CVI热解炭均匀填满，达到石墨发热管与纤维缠绕强化层形成内外统一效果，从而具有优异的抗折强度和抗拉强度性能，或者控制CVI过程中气体反应速率超过气体扩散速率，使得CVI热解炭在石墨发热管上的干纱缠绕强化层中形成较为明显的梯度分布，从而呈现“内软外硬”结构，干纱缠绕强化层在保持较好抗折强度、抗抗拉强度的同时，具有较好的抗热震性能；再采用化学气相沉积（CVD）工艺进行表面涂层制备，在石墨发热管上的干纱缠绕强化层表面沉积光滑致密且具有优良抗氧化性能的碳化硅涂层，通常厚度为0.1μm~30μm，并与干纱缠绕强化层之间具有较好的界面结合强度，在应用状况下当设备发生故障、进入空气时，碳化硅涂层能够有效阻止空气向发热管本体的扩散及氧化反应刻蚀所造成的损害，延长使用寿命。本发明结合石墨发热管预处理、炭纤维干纱带压力缠绕、CVI增密和CVD沉积工艺制备得到纤维缠绕强化石墨发热管结构，提高了纤维缠绕强化石墨发热管的界面结合性能，制备的纤维缠绕强化石墨发热管具有较好的抗折强度、抗拉强度、抗热震性以及抗氧化性，且使用寿命得到显著延长，同时制备周期较短，解决了石墨发热管本身力学性能较差、脆性较大的瓶颈问题，适宜作为发热体应用于各类高温炉。
上述的一种纤维缠绕强化石墨发热管结构的制备方法，其特征在于，步骤一中所述树脂真空浸渍采用的树脂为环氧树脂，所述树脂真空浸渍的过程为：将石墨发热管置放于真空浸渍炉并充入环氧树脂，在60℃~120℃的温度以及800Pa~12kPa的压力下对石墨发热管进行真空浸渍。优选采用容易获得且具有较高力学强度和韧性的环氧树脂作为浸渍树脂，结合对应的浸渍工艺参数，从而以较低原料成本有效满足了石墨发热管增强增韧预处理的需求。
上述的一种纤维缠绕强化石墨发热管结构的制备方法，其特征在于，步骤一中所述固化为加压固化，所述加压固化的工艺参数为：温度100℃~150℃，采用氮气加压，压力0.8MPa~1.2MPa，加压固化时间3h~6h。该优选固化方式及固化工艺参数，有利于获得具有密实且力学性能较高特征的树脂固化结构，从而满足对石墨发热管增强增韧预处理的需求。
上述的一种纤维缠绕强化石墨发热管结构的制备方法，其特征在于，步骤二中所述连续炭纤维干纱为连续聚丙烯腈基12K炭纤维。该优选连续炭纤维干纱的成本相对较低，所述对应的干纱缠绕工艺简单。
上述的一种纤维缠绕强化石墨发热管结构的制备方法，其特征在于，步骤二中所述设计缠绕线型为环向缠绕、纵向缠绕或纵/环交替缠绕，所述设计缠绕线型采用的环向缠绕角度为89°，纵向缠绕角度为20°～65°。当需要目的产物具有高抗折强度、高断裂韧性时，设计缠绕线型为环向缠绕、纵向缠绕或纵环比2~5的纵/环交替缠绕，当需要目的产物进一步提高抗拉强度时，设计缠绕线型采用纵环比不小于0.5且小于2的纵、环交替缠绕，上述不同的线型设计有利于满足不同性能指标要求的纤维缠绕增强增韧强化需要。当优选采用纵/环交替缠绕时，在由纵向缠绕转换至环向缠绕或者由环向缠绕转换至纵向缠绕过程中，通过缠绕机的控制主机对缠绕机机头进行自动控制，实现在不割断纤维干纱的条件下将纤维干纱的缠绕方向相应由纵向缠绕方向逐渐自动转换为环向缠绕方向或者由环向缠绕方向逐渐自动转换为纵向缠绕方向，以实现纵向缠绕层与环向缠绕层之间的连续过渡；在纵向缠绕层与环向缠绕层之间的连续过渡过程中，纤维干纱缠绕方向的调整通过缠绕机机头牵引控制纤维干纱缠绕角的调整来实现，且控制主机对缠绕机机头进行牵引控制，纤维干纱的缠绕角为所缠绕纤维干纱的走向与石墨发热管轴向之间的夹角，优选纵向缠绕时所述纤维干纱的缠绕角度为20°～65°，而环向缠绕时纤维干纱的缠绕角度为89°；在缠绕结束时，人工对纤维干纱缠绕件的端口部进行防松散捆扎固定，以保持纤维干纱缠绕件的整体性。
另外，本发明根据石墨发热管的失效方式确定设计缠绕线型及压力设计，优选地，对于常用的管径为100mm、内径为30mm、长度为1250mm的电极石墨发热管，当电极石墨发热管所处应用环境升降温速率不超过300℃/h时，纤维缠绕强化层厚度为1mm，采用纵向缠绕且缠绕角度为45°，单团纤维干纱缠绕时施加的压力30N，通过CVI处理在干纱缠绕强化层中形成热解炭充分填充结构，当应用环境升温速率大于300℃/h时，石墨发热管表面的纤维缠绕强化层厚度为4mm，采用纵/环交替缠绕且纵向缠绕角度45°，单团纤维干纱缠绕时施加的压力为30N，通过CVI处理填充在干纱缠绕强化层中形成炭纤维与热解炭基体梯度分布结构，且靠近电极石墨发热管一侧的干纱缠绕强化层中由于热解炭含量较低，具有较好的变形能力，能够有效抵抗急剧升降温导致的热震性破坏。
上述的一种纤维缠绕强化石墨发热管结构的制备方法，其特征在于，步骤二中所述缠绕的厚度为1mm~4mm。该优选缠绕厚度有利于通过单次化学气相渗透增密工艺达到设计密度，从而较好地满足增强增韧需求，同时方便根据厚度选择，实现不同的热解炭分布需求。
上述的一种纤维缠绕强化石墨发热管结构的制备方法，其特征在于，步骤三中所述化学气相渗透增密的具体过程为：在900℃~1200℃的温度以及1kPa~20kPa的压力条件下充入碳源气体和稀释气体，并沉积15h~30h，其中，碳源气体为丙烯、乙炔或天然气，稀释气体为氮气，所述碳源气体与稀释气体的体积比为1:5。该优选的化学气相渗透增密过程有利于获得与炭纤维结合较好、且按照设计进行密度分布的热解炭组分，在增强增韧的同时，获得较好的抗热震性能。
上述的一种纤维缠绕强化石墨发热管结构的制备方法，其特征在于，步骤四中所述前驱体为气态一甲基三氯硅烷，稀释气体为氮气，所述气态一甲基三氯硅烷与氮气的体积比为1：8，所述前驱体和稀释气体的充入条件为：温度1000℃~1350℃，压力0.1kPa~10kPa，所述沉积时间为3h~12h，所述抗氧化涂层为碳化硅涂层。该优选的前驱体、稀释气体、充入条件、沉积时间等工艺参数及抗氧化涂层的种类有利于在干纱缠绕强化层表面获得致密且抗氧化性能优异的抗氧化涂层。
另外，本发明还提供了一种上述方法制备的纤维缠绕强化石墨发热管结构。本发明的纤维缠绕强化石墨发热管结构以石墨发热管为发热本体、干纱缠绕强化层为承力结构层、碳化硅抗氧化涂层为防氧化功能层，其中，石墨发热管作为发热本体，其电阻率低（≤15Ωmm2/m）且电热性能稳定，适用于大部分高温电阻炉，而在作为感应加热发热体时，温度均匀性良好；在石墨发热管外表面通过干纱缠绕结合CVI增密工艺形成高性能承力结构层，其抗拉强度和抗折强度分别可达200MPa和120MPa，与石墨的抗拉强度、抗折强度分别低于80MPa和40MPa相比，均有大幅度提高，在使用和维护过程中，石墨发热管承受的应力将传递至干纱缠绕强化层，而通过结构设计形成干纱缠绕强化层有效缓冲热应力，抵抗热震破坏，因此，本发明的纤维缠绕强化石墨发热管结构集合了石墨优异的发热性能及纤维缠绕成型炭/炭复合材料高强度、结构可设计性的特点于一身。此外，碳化硅氧化涂层赋予了纤维缠绕强化石墨发热管结构抵抗氧化损伤的特性，有效延长其使用寿命；且干纱缠绕强化层及涂层厚度可以调节，工艺简单容易制备，通过本发明方法制得的纤维缠绕强化石墨发热管能够满足各种类型石墨发热管的应用需求，结构简单可靠。
上述的纤维缠绕强化石墨发热管结构，其特征在于，包括石墨发热管，包覆在石墨发热管外表面的干纱缠绕强化层，以及包覆在干纱缠绕强化层表面的碳化硅抗氧化涂层，其中，干纱缠绕强化层由炭纤维和热解炭组成，热解炭在炭纤维中均匀分布，或者热解炭在炭纤维中沿着内表面向外表面的方向按体积含量梯度递增分布。通过化学气相渗透过程中的工艺参数进行设计，控制热解炭基体在炭纤维中的分布状态：（1）控制化学气相渗透过程中气相反应速率与气体扩散速率平衡，使热解炭基体均匀分布在炭纤维中；（2）控制化学气相渗透过程中气相反应速率显著大于气体扩散速率，从而使得热解炭优先在干纱缠绕强化层的外表面进行沉积，同时堵塞气体扩散通道，阻碍干纱缠绕强化层内部的进一步渗透增密，从而使得热解炭在炭纤维中沿着内表面向外表面的方向按体积含量梯度递增分布，形成“内软外硬”的街头，实现了通过结构设计形成干纱缠绕强化层以有效缓冲热应力，抵抗热震破坏。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过对石墨发热管进行预处理实现了其表面的炭纤维干纱带压力缠绕，然后依次结合CVI和CVD工艺分别进行增密和表面涂层处理，提高了纤维缠绕强化石墨发热管的界面结合性能，制备的纤维缠绕强化石墨发热管具有较好的抗折强度、抗抗拉强度、抗热震性以及抗氧化性，且使用寿命得到显著延长，制备周期缩短，解决了石墨发热管本身力学性能较差、脆性较大的瓶颈问题，适宜作为发热体应用于各类高温炉。
2、与现有技术中常用的湿法或刷胶缠绕方式相比，本发明采用干纱缠绕成型，避免使用胶液，具有更佳的环境友好性，同时也省去了湿法或刷胶缠绕方式必需的固化和炭化工序，从而增密周期缩短，生产成本降低。
3、与现有技术中常用的树脂浸渍炭化增密相比，本发明采用CVI进行增密，一方面有利于炭纤维强度的充分发挥，提高界面结合性能，赋予纤维缠绕强化石墨发热管更好的抗折强度和抗拉性能，同时避免了树脂中杂质的引入，提高了纤维缠绕强化石墨发热管的质量纯度，避免使用过程中污染炉腔和产品；此外，通过调节CVI的温度、流速、气体比例和真空度等工艺参数以调节气体扩散速率与气体热解沉积比例之间的关系，从而灵活调节干纱缠绕强化层中热解炭的分布，以满足不同应用环境的需求。
4、本发明采用CVD在经化学气相渗透增密后的石墨发热管表面制备抗氧化涂层，明显改善了纤维缠绕强化石墨发热管的抗氧化性，从而在应用过程中有效避免了由于设备故障引起的发热管氧化，有效延长使用寿命。
5、本发明的纤维缠绕强化石墨发热管结构以石墨发热管为发热本体、干纱缠绕强化层为承力结构层、碳化硅抗氧化涂层为防氧化功能层，其抗拉强度和抗折强度得到提高，有效缓冲了热应力、抵抗热震破坏且抵抗氧化损伤，其使用寿命得到有效延长；本发明的纤维缠绕强化石墨发热管满足了各种类型石墨发热管的应用需求，结构简单可靠。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的制备方法流程框图。
图2为本发明纤维缠绕强化石墨发热管结构的示意图。
图3为本发明干纱缠绕强化层中热解炭在炭纤维中均匀分布的结构示意图。
图4为本发明干纱缠绕强化层中热解炭在炭纤维中梯度分布的结构示意图。
附图标记说明:
1—石墨发热管； 2—干纱缠绕强化层； 3—抗氧化涂层；
4—炭纤维； 5—热解炭。  
具体实施方式
如图1所示，本发明制备方法的具体流程为：将石墨发热管预处理后进行干纱缠绕，然后依次进行化学气相渗透增密和表面抗氧化涂层制备，得到纤维缠绕强化石墨发热管结构。
如图2所示，本发明纤维缠绕强化石墨发热管结构包括石墨发热管1、包覆在石墨发热管外表面的干纱缠绕强化层2，以及包覆在干纱缠绕强化层2表面的抗氧化涂层3。
如图3所示，本发明纤维缠绕强化石墨发热管结构的干纱缠绕强化层2由炭纤维4和填充在炭纤维4中的热解炭5组成，所述热解炭5均匀填充在炭纤维4的孔隙。
如图4所示，本发明纤维缠绕强化石墨发热管结构的干纱缠绕强化层2由炭纤维4和填充在炭纤维4中的热解炭5组成，所述热解炭5在炭纤维4中沿着内表面向外表面的方向（即图中箭头方向）按体积含量梯度递增分布。
实施例1
本实施例的纤维缠绕强化石墨发热管结构包括石墨发热管，包覆在石墨发热管外表面的干纱缠绕强化层，以及包覆在干纱缠绕强化层表面的碳化硅抗氧化涂层，如图2所示，其中，干纱缠绕强化层由炭纤维和热解炭组成，热解炭在炭纤维中均匀分布，如图3所示。
本实施例的纤维缠绕强化石墨发热管结构的制备方法包括以下步骤：
步骤一、石墨发热管预处理：将石墨发热管放置于真空浸渍炉中并充入环氧树脂溶液，在60℃的温度以及800Pa的压力下对石墨发热管进行真空浸渍，然后采用氮气，在100℃的温度以及0.8MPa的压力下加压固化3h，完成预处理工艺；
步骤二、干纱缠绕：将步骤一中经预处理后的石墨发热管安装在缠绕机上，然后采用连续聚丙烯腈基12K炭纤维干纱在石墨发热管的表面按照设计缠绕线型进行环向缠绕至厚度为1mm，环向缠绕角度为89°，所述环向缠绕过程中对连续聚丙烯腈基12K炭纤维干纱施加30N/股的压力；
步骤三、化学气相渗透增密：将步骤二中经干纱缠绕后的石墨发热管放入化学气相渗透设备中，在900℃的温度以及1kPa的压力条件下充入体积比为1:5的乙炔和氮气沉积15h进行化学气相渗透增密，形成干纱缠绕强化层；
步骤四、表面抗氧化涂层制备：将步骤三中经化学气相渗透增密后的石墨发热管放入化学气相沉积设备中，在1000℃的温度以及0.1kPa的压力条件下充入体积比为1:8的气态一甲基三氯硅烷和氮气，在干纱缠绕强化层表面进行化学气相沉积3h制备碳化硅抗氧化涂层，得到纤维缠绕强化石墨发热管结构。
经检测，本实施例获得的纤维缠绕强化石墨发热管具有较为致密均匀的结构，干纱缠绕强化层密度为1.45g/cm3～1.50g/cm3，干纱缠绕强化层中热解炭在炭纤维中分布均匀，无明显梯度分布，纤维缠绕强化石墨发热管结构的环向拉伸强度为200MPa，具有优异的抗内压性能，同时纤维缠绕强化石墨发热管结构表面的碳化硅涂层提供了良好的抗氧化性能。
实施例2
本实施例的纤维缠绕强化石墨发热管结构包括石墨发热管，包覆在石墨发热管外表面的干纱缠绕强化层，以及包覆在干纱缠绕强化层表面的碳化硅抗氧化涂层，如图2所示，其中，干纱缠绕强化层由炭纤维和热解炭组成，热解炭在炭纤维中沿着内表面向外表面的方向按体积含量梯度递增分布，如图4所示，所述体积含量递增幅度为9%/mm。
本实施例的纤维缠绕强化石墨发热管结构的制备方法包括以下步骤：
步骤一、石墨发热管预处理：将石墨发热管放置于真空浸渍炉中并充入环氧树脂溶液，在120℃的温度以及12kPa的压力下对石墨发热管进行真空浸渍，然后采用氮气，在150℃的温度以及1.2MPa的压力下加压固化6h，完成预处理工艺；
步骤二、干纱缠绕：将步骤一中经预处理后的石墨发热管安装在缠绕机上，然后采用连续聚丙烯腈基12K炭纤维干纱在石墨发热管的表面按照设计缠绕线型进行纵向缠绕至厚度为4mm，纵向缠绕角度为20°，所述纵向缠绕过程中对连续聚丙烯腈基12K炭纤维干纱施加30N/股的压力；
步骤三、化学气相渗透增密：将步骤二中经干纱缠绕后的石墨发热管放入化学气相渗透设备中，在1200℃的温度以及20kPa的压力条件下充入体积比为1:5的天然气和氮气沉积30h进行化学气相渗透增密，形成干纱缠绕强化层；
步骤四、表面抗氧化涂层制备：将步骤三中经化学气相渗透增密后的石墨发热管放入化学气相沉积设备中，在1350℃的温度以及10kPa的压力条件下充入体积比为1:8的气态一甲基三氯硅烷和氮气，在干纱缠绕强化层表面进行化学气相沉积12h制备碳化硅抗氧化涂层，得到纤维缠绕强化石墨发热管结构。
经检测，本实施例获得的纤维缠绕强化石墨发热管具有较为致密均匀的结构，干纱缠绕强化层密度为1.35g/cm3～1.40g/cm3，干纱缠绕强化层中热解炭在炭纤维中沿着内表面向外表面的方向由体积含量30%至60%呈梯度递增分布，纤维缠绕强化石墨发热管结构的环向抗折强度为120MPa，具有优异的抗折性能和抗热震性能，同时纤维缠绕强化石墨发热管结构表面的碳化硅涂层提供了良好的抗氧化性能。
实施例3
本实施例的纤维缠绕强化石墨发热管结构包括石墨发热管，包覆在石墨发热管外表面的干纱缠绕强化层，以及包覆在干纱缠绕强化层表面的碳化硅抗氧化涂层，如图2所示，其中，干纱缠绕强化层由炭纤维和热解炭组成，热解炭在炭纤维中沿着内表面向外表面的方向按体积含量梯度递增分布，如图4所示，所述体积含量递增幅度为3%/mm。
本实施例的纤维缠绕强化石墨发热管结构的制备方法包括以下步骤：
步骤一、石墨发热管预处理：将石墨发热管放置于真空浸渍炉中并充入环氧树脂，在90℃的温度以及5.6kPa的压力下对石墨发热管进行真空浸渍，然后采用氮气，在125℃的温度以及1.0MPa的压力下加压固化4.5h，完成预处理工艺；
步骤二、干纱缠绕：将步骤一中经预处理后的石墨发热管安装在缠绕机上，然后采用连续聚丙烯腈基12K炭纤维干纱在石墨发热管的表面按照设计缠绕线型进行纵/环交替缠绕至厚度为2.5mm，环向缠绕角度为89°，纵向缠绕角度为65°，所述纵/环交替缠绕过程中对连续聚丙烯腈基12K炭纤维干纱施加30N/股的压力；
步骤三、化学气相渗透增密：将步骤二中经干纱缠绕后的石墨发热管放入化学气相渗透设备中，在1050℃的温度以及10.5kPa的压力条件下充入体积比为1:5的丙烯和氮气沉积22.5h进行化学气相渗透增密，形成干纱缠绕强化层；
步骤四、表面抗氧化涂层制备：将步骤三中经化学气相渗透增密后的石墨发热管放入化学气相沉积设备中，在1175℃的温度以及5.1kPa的压力条件下充入体积比为1:8的气态一甲基三氯硅烷和氮气，在干纱缠绕强化层表面进行化学气相沉积7.5h制备碳化硅抗氧化涂层，得到纤维缠绕强化石墨发热管结构。
经检测，本实施例获得的纤维缠绕强化石墨发热管具有较为致密均匀的结构，干纱缠绕强化层密度为1.40g/cm3～1.45g/cm3，干纱缠绕强化层中热解炭在炭纤维中沿着内表面向外表面的方向由体积含量40%至47.5%呈梯度递增分布，纤维缠绕强化石墨发热管结构的环向抗拉强度为150MPa，纵向抗折强度70MPa，具有优异的综合力学性能，同时纤维缠绕强化石墨发热管结构表面的碳化硅涂层提供了良好的抗氧化性能。
实施例4
本实施例的纤维缠绕强化石墨发热管结构包括石墨发热管，包覆在石墨发热管外表面的干纱缠绕强化层，以及包覆在干纱缠绕强化层表面的碳化硅抗氧化涂层，如图2所示，其中，干纱缠绕强化层由炭纤维和热解炭组成，热解炭在炭纤维中沿着内表面向外表面的方向按体积含量梯度递增分布，如图4所示，所述体积含量递增幅度为2.8%/mm。
本实施例的纤维缠绕强化石墨发热管结构的制备方法与实施例3的不同之处在于：步骤二中设计缠绕线型为纵向缠绕，纵向缠绕角度为45°。
经检测，本实施例获得的纤维缠绕强化石墨发热管具有较为致密均匀的结构，干纱缠绕强化层密度为1.38g/cm3～1.43g/cm3，干纱缠绕强化层中热解炭在炭纤维中沿着内表面向外表面的方向由体积含量38%至457.5%呈梯度递增分布，纤维缠绕强化石墨发热管结构的环向抗拉强度为170MPa，纵向抗折强度为60MPa，具有优异的综合力学性能，同时纤维缠绕强化石墨发热管结构表面的碳化硅涂层提供了良好的抗氧化性能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种纤维缠绕强化石墨发热管结构的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、石墨发热管预处理：将石墨发热管放置于真空浸渍炉进行树脂真空浸渍，然后进行固化，完成预处理工艺；
步骤二、干纱缠绕：将步骤一中经预处理后的石墨发热管安装在缠绕机上，然后采用连续炭纤维干纱在石墨发热管的表面按照设计缠绕线型进行缠绕，所述缠绕过程中对连续炭纤维干纱施加压力；
步骤三、化学气相渗透增密：将步骤二中经干纱缠绕后的石墨发热管放入化学气相渗透设备中进行化学气相渗透增密，形成干纱缠绕强化层；所述化学气相渗透增密的具体过程为：在900℃~1200℃的温度以及1kPa~20kPa的压力条件下充入碳源气体和稀释气体并沉积15h~30h，其中，碳源气体为丙烯、乙炔或天然气，稀释气体为氮气，所述碳源气体与稀释气体的体积比为1:5；
步骤四、表面抗氧化涂层制备：将步骤三中经化学气相渗透增密后的石墨发热管放入化学气相沉积设备中并通入前驱体和稀释气体，在干纱缠绕强化层表面进行化学气相沉积制备抗氧化涂层，得到纤维缠绕强化石墨发热管结构。
2.根据权利要求1所述的一种纤维缠绕强化石墨发热管结构的制备方法，其特征在于，步骤一中所述树脂真空浸渍采用的树脂为环氧树脂，所述树脂真空浸渍的过程为：将石墨发热管置放于真空浸渍炉并充入环氧树脂，在60℃~120℃的温度以及800Pa~12kPa的压力下对石墨发热管进行真空浸渍。
3.根据权利要求1所述的一种纤维缠绕强化石墨发热管结构的制备方法，其特征在于，步骤一中所述固化为加压固化，所述加压固化的工艺参数为：温度100℃~150℃，采用氮气加压，压力0.8MPa~1.2MPa，加压固化时间3h~6h。
4.根据权利要求1所述的一种纤维缠绕强化石墨发热管结构的制备方法，其特征在于，步骤二中所述连续炭纤维干纱为连续聚丙烯腈基12K炭纤维。
5.根据权利要求1所述的一种纤维缠绕强化石墨发热管结构的制备方法，其特征在于，步骤二中所述设计缠绕线型为环向缠绕、纵向缠绕或纵/环交替缠绕，所述设计缠绕线型采用的环向缠绕角度为89°，纵向缠绕角度为20°～65°。
6.根据权利要求1所述的一种纤维缠绕强化石墨发热管结构的制备方法，其特征在于，步骤二中所述缠绕的厚度为1mm~4mm。
7.根据权利要求1所述的一种纤维缠绕强化石墨发热管结构的制备方法，其特征在于，步骤四中所述前驱体为气态一甲基三氯硅烷，稀释气体为氮气，所述气态一甲基三氯硅烷与氮气的体积比为1：8，所述前驱体和稀释气体的充入条件为：温度1000℃~1350℃，压力0.1kPa~10kPa，所述沉积时间为3h~12h，所述抗氧化涂层为碳化硅涂层。
8.一种采用如权利要求1~权利要求7中任一权利要求所述方法制备的纤维缠绕强化石墨发热管结构。
9.根据权利要求8所述的纤维缠绕强化石墨发热管结构，其特征在于，包括石墨发热管，包覆在石墨发热管外表面的干纱缠绕强化层，以及包覆在干纱缠绕强化层表面的碳化硅抗氧化涂层，其中，干纱缠绕强化层由炭纤维和热解炭组成，热解炭在炭纤维中均匀分布，或者热解炭在炭纤维中沿着内表面向外表面的方向按体积含量梯度递增分布。
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