CN112225574A - 一种高性能炭/炭组合式热压模具的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能炭/炭组合式热压模具的制造方法，包括以下步骤：a.制备具较高密度的炭/炭材料的构件单体；b.对构件单体进行高温处理；c.对步骤b的构件单体进行第一次CVD增加密度；d.制备炭/炭材料的成型初体；e.在成型初体的表面缠绕炭纤维布层，制备基本构件；f.对基本构件进行加压定向固化；g.对步骤f的得品进行第二次高温处理；h.对步骤g的得品进行第二次CVD增加密度，得最终得品。本发明大幅提高了炭/炭热压模具的使用寿命。

Description

一种高性能炭/炭组合式热压模具的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于高温烧结制造领域的材料或模具的制造工艺方法，具体是指用于高温烧结制造领域的炭/炭材料或模具。
背景技术：
先进的陶瓷材料广泛应用于各个领域，如航空航天、国防、生物医学、化工、冶金等诸多领域，而先进陶瓷材料的制备中的重要环节是坯体烧结，现阶段常用的坯体烧结工艺为热压烧结，热压烧结是指坯体在高温环境中同时受到单方向或多方向的高压力，使坯体在高温高压下反应，使得品的密度增加，得到高效能的陶瓷材料。在上述的过程中，坯体需要使用模具夹持，因此该模具也必须具有耐高温高压的性能，上述的高温烧结过程中施加的高压可达到50Mpa以上，温度达到2000℃以上。现常用的热压烧结的模具为石墨模具，石墨模具的拉伸强度较低且脆性大，在加压过程中易产生脆性断裂或产生大量的裂纹，轻则影响产品质量，重则造成安全事故，严重影响生产的正常进行。因此，制备耐高温高压的模具仍是一个急待解决的问题。
发明内容：
本发明的发明目的是公开一种用于高温高压环境中使用的炭/炭组合式热压模具的制造方法。
实现本发明的制造方法是：
a.制备具较高密度的炭/炭材料的构件单体，构件单体的厚度为15～20mm；
b.对构件单体进行高温处理；
c.对步骤b高温处理后的构件单体进行第一次CVD增加密度；
d.制备炭/炭材料的成型初体；
e.在成型初体的表面缠绕炭纤维布层，制备基本构件；
f.对基本构件进行加压定向固化；
g.对步骤f的得品进行第二次高温处理；
h.对步骤g的得品进行第二次CVD增加密度，得最终得品。
所述的构件单体的制备是将T700、12K的平纹炭纤维布浸渍预配的浸渍液后，经烘干炉在100℃～110℃进行烘烤得炭纤维预浸布；将上述的炭纤维预浸布叠放成一预定的厚度，在压力为10Mpa和温度为190℃～210℃条件下得构件单体；上述的构件单体按重量百分比计算炭纤维的含量为70～90％、浸渍液的含量为30～10％；上述的浸渍液按重量百分比计算是由60～70％的酚醛树脂、10～15％的炭黑、2～5％的长度为2～5mm的短切炭纤维和8～15％的粒度为30～50μm的硅粉构成。
所述的构件单体的高温处理的过程是将构件单体置入加热炉，在氩气(Ar)保护下升温至1800℃～2200℃，保温2小时，随炉冷却，降温至150℃～250℃后出炉。
所述的构件单体的第一次CVD过程是将构件单体置入真空炉中，抽真空至真空度为40Pa，抽真空的速率为20Pa/h，升温至1000℃～1100℃，通入天然气至炉压为800～2000Pa，沉积时间120～200h后停止供气，随炉降温到150℃～250℃出炉，所得的炭/炭材料的构件单体的密度达1.5g/cm3。
所述的步骤c得品的表面均匀涂覆超高温胶粘剂后，多件步骤c的得品叠放构成大型的筒状构件，对该筒状构件施加8～10Mpa的压力，在温度为190℃～210℃下加压固化为一体的成型初体。
所述的超高温胶粘剂的构成按重量百分比计算是由25～35％的酚醛树脂、10～25％的硅溶胶(25％Sio2)、10～15％的炭黑、30～50μm的8～15％的硅粉、30～50μm的4～6％的氮化硅和2～5mm的10～17％的短切炭纤维构成。
所述的步骤e的基本构件的制备是在步骤d的得品成型初体的表面缠绕浸渍有浸渍液的炭纤维布，缠绕的布层为8～12层，缠绕时的张力为45～55千克；或在成型初体表面缠绕浸渍有浸渍液的炭纤维布条，炭纤维布条与成型初体的主体的轴向方向的缠绕夹角为54°～55°，缠绕的布层为8～12层的偶数层，相邻的布层之间的缠绕角度相反；上述的得品为基本构件。
所述的基本构件的加压定向固化具体是将基本构件置入加热炉内，以小于50Pa/h的抽真空速率将加热炉内腔抽真空度至-0.098Mpa，并保持3小时，之后向加热炉内腔输入压缩空气进行加压，加压速率为0.08Mpa/min，加压至2.0Mpa，在基本构件的内部空腔进行加热，升温速率为5℃/h，升温到180℃～200℃后保温2小时，完成加压定向固化。
所述的步骤g的高温处理过程是将步骤f得到的加压定向固化的得品置入加热炉，在氩气(Ar)保护下升温至1800℃～2200℃，保温2小时，随炉冷却，降温至150℃～250℃出炉。
将步骤g的得品置入真空炉，抽真空至真空度为40Pa，抽真空速率为20Pa/h，之后升温至1000℃～1100℃，真空炉内输入天然气(CH4)，炉压保持800～2000Pa，沉积间120～200h，停止供气，构件的密度达到1.5g/cm3，随炉降温到150℃～250℃后出炉。
本发明公开的上述的炭/炭组合式热压模具具有高温下的极佳的热力学性能，特别是具有高强度、高密度和相当均匀的炭/炭材料的体密度，同时整个制备过程的制备时间相对减少，节约了大量的能源和减少了污染，在提高产品的性能的同时降低了制备成本，大幅提高了炭/炭热压模具的使用寿命。
附图说明：
图1为本发明的产品制备过程中加压定向固化的图示。
具体实施方式：
结合附图给出本发明的具体制备过程的详细描述，需要说明的是详细描述是为便于对本发明的技术实质的全面理解，而不应视为是对本发明的权利要求保护范围的限制。
本发明的具体实施例的技术解决方案是：所述的高性能炭/炭组合式热压模具的制造方法的步骤如下：a.制备具较高密度的炭/炭材料的构件单体，构件单体的厚度为15～20mm；b.对构件单体进行高温处理；c.对步骤b高温处理后的构件单体进行第一次CVD增加密度；d.制备炭/炭材料的成型初体；e.在成型初体的表面缠绕炭纤维布层，制备基本构件；f.对基本构件进行加压定向固化；g对步骤f的得品进行第二次高温处理；h.对步骤g的得品进行第二次CVD增加密度，得最终得品。在上述的炭/炭热压模具的制造过程中，步骤a首先制备密度较高且密度分布均匀的构件单体，构件单体为本发明的热压模具的制备的最小构建单元，通过后续步骤将多个构件单体通过叠置或拼装等方式构成一个成型构件，上述的构件单体为二维结构或三维结构，形状可以是多样式的。本发明实施例以二维的圆环状的炭/炭材料的构件单体进行描述，即类似于垫圈状的单体，这不排除其它的形状的构建单体，且需要说明的是本发明所述的模具是一个相对抽象的表述，实质上本发明最终制备的构件可以在多领域使用，模具两字只是一个称谓，不应产生相应的限制理解。
所述的构件单体的制备是将T700、12K的平纹炭纤维布浸渍预配的浸渍液后，经烘干炉在100℃～110℃进行烘烤得炭纤维预浸布，上述的烘烤过程将浸渍液内的可挥发物挥发掉一部分，将上述的炭纤维预浸布叠放成一预定的厚度，炭纤维预浸布为平面圆环形，叠放后构成一定的厚度的圆环形，类似于一个常规的垫片的形式；对其施加一定的压力，在压力为10Mpa和温度为190℃～210℃条件下得构件单体，上述压力和温度使构件单体中的挥发物挥发及树脂发生固化反应，同时使构件单体的密度及力学性能得到提高，上述的构件单体按重量百分比计算炭纤维的含量为70～90％、浸渍液的含量为30～10％；上述的浸渍液按重量百分比计算是由60～70％的酚醛树脂、10～15％的炭黑、2～5％的长度为2～5mm的短切炭纤维和8～15％的粒度为30～50μm的硅粉构成。通过上述的制备得到的构件单体初步固化，且密度达到1.5g/cm3以上，构件单体的厚度为15～20mm，厚度过大不利于提高密度，厚度过小增加工艺成本等。
所述的构件单体需要经过高温处理形成炭/炭材料，高温处理的过程是将构件单体置入加热炉，在氩气(Ar)保护下升温至1800℃～2200℃，保温2小时，之后随炉冷却，降温至150℃～250℃后出炉。在上述的过程中，构件单体中的各种组分发生复杂的反应，酚醛树脂在高温下炭化，硅粉也参与反应，由于酚醛树脂在炭纤维布的炭纤维之间的渗入与分布，并使特定颗粒的炭黑与硅粉也分布在炭纤维之间，除去可挥发物挥发后，上述的缓慢、基本匀速的随炉降温可避免构件单体中的热应力的产生，最终形成炭/炭材料的构件单体。
所述的炭/炭材料的构件单体在上述的高温处理过程有部分挥发物逸出，在构件单体中存在极微小的孔隙，因此对构件单体进行一次CVD处理以进一步增加构件单体的密度，该第一次CVD过程是将构件单体置入真空炉中，抽真空至真空度为40Pa，抽真空的速率为20Pa/h，之后升温至1000℃～1100℃，通入天然气至炉压为800～2000Pa，沉积时间120～200h后停止供气，随炉降温到150℃～250℃出炉，该过程处理后的的炭/炭材料的构件单体的密度达1.5g/cm3以上。前面已描述上述的构件单体为圆环状，实质上构件单体还可以使其它的形状，如椭圆环状，外圆内方的环状，这方便经后续过程构成筒状的最终制品，或构件单体为异形，条形等形状，并且有卡扣连接的凸出和凹入结构，以拼装各种结构的构件；上述的圆环状的构件单体的表面在步骤a的压力制备时，在圆形状的构件单体表面制备出凸凹部，以增加构件单体之间的结构强度。
所述的步骤c得品即上述炭/炭材料的构件单体的表面均匀涂覆超高温胶粘剂后，多件步骤c的得品叠放构成大型的筒状构件，对该筒状构件施加8～10Mpa的压力，并在温度为190℃～210℃下加压固化为一体的筒状的成型初体；上述的压力迫使液态的超高温胶粘剂渗入构件单体的表面层，上述的温度使胶粘剂固化的同时使部分挥发物快速挥发。上述的超高温胶粘剂的构成按重量百分比计算是由25～35％的酚醛树脂、10～25％的硅溶胶(25％Sio2)、10～15％的炭黑、30～50μm的8～15％的硅粉、30～50μm的4～6％的氮化硅和2～5mm的10～17％的短切炭纤维构成；上述的各组分的特定的粒度一方面便于组分随酚醛树脂渗入构件单体的表面内部，一方面在后续的高温处理过程中实现更佳的高温反应。
所述的步骤e的基本构件的制备是在步骤d的得品成型初体的表面缠绕浸渍有浸渍液的炭纤维布，缠绕的布层为8～12层，优选10层，缠绕时的张力为45～55千克，此处的浸渍液的配方配比与前述的浸渍液相同，故不再详细描述，上述的多层的炭纤维布构成与成型初体结合为一体的加固层，大幅强化筒状的成型初体的抗径向力的性能；或筒状的成型初体表面缠绕浸渍有浸渍液的炭纤维布条，炭纤维布条与成型初体的主体的轴向方向的缠绕夹角为54°～55°，缠绕的布层为8～12层的偶数层，相邻的布层之间的缠绕角度相反；按上述的两种方式得到的得品为基本构件。
所述的步骤e的基本构件需要经加压定向固化过程处理，该加压定向固化具体是将基本构件置入加热炉内，以小于50Pa/h的抽真空速率将加热炉内腔抽真空度至-0.098Mpa，并保持3小时，之后向加热炉内腔输入压缩空气进行加压，加压速率为0.08Mpa/min，加压至2.0Mpa，在基本构件的内部进行加热，升温速率为5℃/h，升温到180℃～200℃后保温2小时，完成加压定向固化。在上述的过程中，抽真空是为缠绕布层中的浸渍液内的可挥发物充分的逸出，之后的加压也是为对整个缠绕布层的外表面施加压力，一方面压实缠绕布层一方面促进挥发物的进一步逸出，同时也可使部分浸渍液渗入成型初体的表面，由于是在基本构件的内部即筒状的基本构件的内腔进行加热，如以电加热丝置于筒状的基本构件的内腔进行电加热，当内腔加热时，在基本构件的壁体内存在一个因热传导而存在一个温度差，同样，上述的缠绕布层也存在一个温度差，即缠绕布层的内表面的温度高于外表面的温度，温度高的部分先逐渐固化并同时产生的挥发物被挤向温度低的部分，直至被挤出缠绕布层，固化也是由内向外逐渐产生，这一特定的加热方式避免了部分挥发物存留于缠绕布层内部，使缠绕布层的密度较高，同时缠绕布层外的压缩空气的压力也在固化过程中施加压力而压缩缠绕布层对提高缠绕布层的密度有益。图1所示为上述的加压定向固化过程的示意，图1中的标号是：1.加热炉，2.基本构件，3.置于基本构件内腔的加热体，其余加热炉的部件与常规技术相同。
所述的步骤g的高温处理过程是将步骤f得到的加压定向固化的得品置入加热炉，在氩气(Ar)保护下升温至1800℃～2200℃，保温2小时，随炉冷却，降温至150℃～250℃出炉；高温处理过程的高温使酚醛树脂炭化，硅粉、氮化硅参与高温下的反应，使缠绕布层形成含有陶瓷成分的炭/炭材料层，同时除去可挥发物。
所述的第二次CVD过程使将步骤g的得品置入真空炉，抽真空至真空度为40Pa，抽真空速率为20Pa/h，之后升温至1000℃～1100℃，真空炉内输入天然气(CH4)，炉压保持800～2000Pa，沉积120～200h，停止供气，构件的密度达到1.5g/cm3，随炉降温到150℃～250℃后出炉，得最终所述的高性能炭/炭热压模具。
上述的本发明制得的模具，实际使用时，是在筒状的模具的内腔中置入待高温烧制的陶瓷料的坯体，在高温炉内烧结时，为提高陶瓷材料得品的性能或密度，从模具的两端或一端开口施加高压，使陶瓷材料的坯体在高温高压下反应，因此模具同样也要承受高温高压，本发明制备方法制备的模具具有较高的密度和密度的均匀性，不仅能够承受轴向的高拉伸力还具有极佳的抗径向力的性能，同时制备工艺时间较传统的时间减少，最终使制备成本下降。实际制备过程所需要的各种材料或组分均是现有技术或均可由市场直接采购。

Claims (10)

1.一种高性能炭/炭组合式热压模具的制造方法，其特征在于制造方法的步骤是：
a.制备具较高密度的炭/炭材料的构件单体，构件单体的厚度为15～20mm；
b.对构件单体进行高温处理；
c.对步骤b高温处理后的构件单体进行第一次CVD增加密度；
d.制备炭/炭材料的成型初体；
e.在成型初体的表面缠绕炭纤维布层，制备基本构件；
f.对基本构件进行加压定向固化；
g.对步骤f的得品进行第二次高温处理；
h.对步骤g的得品进行第二次CVD增加密度，得最终得品。
2.根据权利要求1所述的高性能炭/炭组合式热压模具的制造方法，其特征在于所述的构件单体的制备是将T700、12K的平纹炭纤维布浸渍预配的浸渍液后，经烘干炉在100℃～110℃进行烘烤得炭纤维预浸布；将上述的炭纤维预浸布叠放成一预定的厚度，在压力为10Mpa和温度为190℃～210℃条件下得构件单体；上述的构件单体按重量百分比计算炭纤维的含量为70～90％、浸渍液的含量为30～10％；上述的浸渍液按重量百分比计算是由60～70％的酚醛树脂、10～15％的炭黑、2～5％的长度为2～5mm的短切炭纤维和8～15％的粒度为30～50μm的硅粉构成。
3.根据权利要求1或2所述的高性能炭/炭组合式热压模具的制造方法，其特征在于所述的构件单体的高温处理的过程是将构件单体置入加热炉，在氩气(Ar)保护下升温至1800℃～2200℃，保温2小时，随炉冷却，降温至150℃～250℃后出炉。
4.根据权利要求3所述的高性能炭/炭组合式热压模具的制造方法，其特征在于所述的构件单体的第一次CVD过程是将构件单体置入真空炉中，抽真空至真空度为40Pa，抽真空的速率为20Pa/h，升温至1000℃～1100℃，通入天然气至炉压为800～2000Pa，沉积时间120～200h后停止供气，随炉降温到150℃～250℃出炉，所得的炭/炭材料的构件单体的密度达1.5g/cm3。
5.根据权利要求4所述的高性能炭/炭组合式热压模具的制造方法，其特征在于所述的步骤c得品的表面均匀涂覆超高温胶粘剂后，多件步骤c的得品叠放构成大型的筒状构件，对该筒状构件施加8～10Mpa的压力，在温度为190℃～210℃下加压固化为一体的成型初体。
6.根据权利要求5所述的高性能炭/炭组合式热压模具的制造方法，其特征在于所述的超高温胶粘剂的构成按重量百分比计算是由25～35％的酚醛树脂、10～25％的硅溶胶(25％Sio2)、10～15％的炭黑、30～50μm的8～15％的硅粉、30～50μm的4～6％的氮化硅和2～5mm的10～17％的短切炭纤维构成。
7.根据权利要求6所述的高性能炭/炭组合式热压模具的制造方法，其特征在于所述的步骤e的基本构件的制备是在步骤d的得品成型初体的表面缠绕浸渍有浸渍液的炭纤维布，缠绕的布层为8～12层，缠绕时的张力为45～55千克；或在成型初体表面缠绕浸渍有浸渍液的炭纤维布条，炭纤维布条与成型初体的主体的轴向方向的缠绕夹角为54°～55°，缠绕的布层为8～12层的偶数层，相邻的布层之间的缠绕角度相反；上述的得品为基本构件。
8.根据权利要求7所述的高性能炭/炭组合式热压模具的制造方法，其特征在于所述的基本构件的加压定向固化具体是将基本构件置入加热炉内，以小于50Pa/h的抽真空速率将加热炉内腔抽真空度至-0.098Mpa，并保持3小时，之后向加热炉内腔输入压缩空气进行加压，加压速率为0.08Mpa/min，加压至2.0Mpa，在基本构件的内部空腔进行加热，升温速率为5℃/h，升温到180℃～200℃后保温2小时，完成加压定向固化。
9.根据按权利要求8所述的高性能炭/炭组合式热压模具的制造方法，其特征在于所述的步骤g的高温处理过程是将步骤f得到的加压定向固化的得品置入加热炉，在氩气(Ar)保护下升温至1800℃～2200℃，保温2小时，随炉冷却，降温至150℃～250℃出炉。
10.根据权利要求9所述的高性能炭/炭组合式热压模具的制造方法，其特征在于将步骤g的得品置入真空炉，抽真空至真空度为40Pa，抽真空速率为20Pa/h，之后升温至1000℃～1100℃，真空炉内输入天然气(CH4)，炉压保持800～2000Pa，沉积间120～200h，停止供气，构件的密度达到1.5g/cm3，随炉降温到150℃～250℃后出炉。
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