CN113173799B - 一种碳/碳复合材料生产系统及方法 - Google Patents

一种碳/碳复合材料生产系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳/碳复合材料生产系统及方法，包括炉体，所述炉体从上至下内径逐渐增大，所述炉体的底部开设有上料口，所述上料口处设与炉体可拆卸连接的密封炉盖，所述炉体的内侧表面和密封炉盖的内侧表面均覆盖有隔热层，所述密封炉盖的顶部中心外设有旋转座，所述密封炉盖的底部中心设有驱动旋转座转动的驱动组件，所述旋转座的顶部中心设有用于支撑坯体的罩体，所述罩体的内侧表面由外至内依次覆盖有石英层和隔热层，所述罩体内的石英层和隔热层之间设有加热层，所述密封炉盖的底部还设有用于升降密封炉盖的升降组件，所述炉体的侧壁顶部开设有进气口，所述炉体的侧壁底顶部开设有出气口。

Description

一种碳/碳复合材料生产系统及方法
技术领域
本发明涉及加热炉设备技术领域，特别是一种碳/碳复合材料生产系统及方法。
背景技术
目前，一般采用炉体通过化学气相沉积法进行碳/碳复合材料的生产制备，在碳纤维织物制成的坯体上进行气相沉积。这种传统的制备方法目前存在如下不足之处：
1、在加热过程中，往往是坯体外层先受热，从而坯体外层温度高于同层，而碳氢气体在一定的压力从坯体表面流过，主要通过扩散作用进入坯体内部，但是气体在坯体表面的输送状态要好于内部，致使热解碳在坯体表面优先沉积从过过早封闭了坯体空洞，阻断了碳氢气体进入坯体内部的输送通道，导致整体密度明显不均匀，因此只能采用低温、低气体浓度,使沉积速率减缓，但是这样仍会造成较大的密度梯度，虽然目前常采用表面加工打开封闭的空洞这种循环操作继续进行沉积来改善这种状况,但是沉积周期明显延长,造成制造成本居高不下，限制了碳/碳复合材料的的大规模应用；
2、由于在沉积过程中，碳氢气体通过炉体时，存在“耗尽”现象，即碳氢气体平行于坯体流动时，在气流的流入方向浓度较大，由于“消耗”现象在气流的流出方向浓度较小，于是在坯体表面靠近气流流入方向的沉积更厚而在靠近气流流出方向沉积会较薄，这种不均匀性对成品质量具有很大的影响。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种碳/碳复合材料生产系统及方法，该生产系统不仅坯体上横向沉积更加均匀，同时也能使坯体上纵向沉积也更加均匀，且沉积速率高，产品质量好。
本发明采用的技术方案是：
一种碳/碳复合材料生产系统，包括炉体，所述炉体从上至下内径逐渐增大，所述炉体的底部开设有上料口，所述上料口处设与炉体可拆卸连接的密封炉盖，所述炉体的内侧表面和密封炉盖的内侧表面均覆盖有隔热层，所述密封炉盖的顶部中心外设有旋转座，所述密封炉盖的底部中心设有驱动旋转座转动的驱动组件，所述旋转座的顶部中心设有用于支撑坯体的罩体，所述罩体的内侧表面由外至内依次覆盖有石英层和隔热层，所述罩体内的石英层和隔热层之间设有加热层，所述密封炉盖的底部还设有用于升降密封炉盖的升降组件，所述炉体的侧壁顶部开设有进气口，所述炉体的侧壁底顶部开设有出气口。
优选的，所述罩体为石墨罩体。
优选的，所述隔热层为陶瓷纤维层。
优选的，所述加热层为石英层和陶瓷纤维层之间沿罩体的内侧环面从上至下环绕设置的多圈感应加热线圈。
优选的，所述驱动组件为伺服电机，所述伺服电机的输出轴贯穿密封炉盖并通过联轴器与旋转座的底部中心固定连接，所述伺服电机的输出轴与密封炉盖之间连接有轴承。
优选的，所述升降组件为液压缸，所述密封炉盖的底部中心处设有安装箱，所述驱动组件设于安装箱内，所述液压缸的输出轴与安装箱的底部中心固定连接。
优选的，所述密封炉盖的底部设有多个可伸缩的支撑杆，且多个支撑杆以升降组件为中心呈圆周阵列设置，所述支撑杆的顶端与密封炉盖的底部对应位置固定连接。
优选的，所述炉体呈上小下大的圆台状，且该圆台状对应的圆锥的锥角为15°～30°。
本发明的有益效果是：
1、将加热层设置在靠近坯体的内层，使坯体的内层先受热，并保持内层温度高于外层，由于碳氢气体首先接触的外层温度较低，因此，沉积主要先发生在坯体的内层，而坯体的外层沉积较少，随着沉积的进行，随着持续加热，坯体内外层的温差慢慢减小，沉积再逐渐由内层转向外层，最终形成内外完全致密的制品，相比于传统的制备方法，本发明的沉积周期明显缩短,造成制造成本也大大降低，极大的促进了碳/碳复合材料的的大规模应用；
2、炉体的内径从进气口至出气口方向逐渐增大形成伯努利效应，使得炉体内的气体流速从进气口方向至出气口方向逐渐减小，气压从进气口方向至出气口方向逐渐增大，虽然碳氢气体通过炉体时存在“消耗”现象，但是一方面由于气体流速逐渐减小，即气体在坯体表面的滞留时间逐渐增大，另一方面由于气体的气压逐渐增大，使得虽然在进气口处，碳氢气体中碳含量较高，但在进气口处的气体流速快沉积时间短，且气压小，而在出气口处，虽然碳氢气体中碳含量较低，但在出气口处气体流速慢沉积时间长，且气压大，使得坯体表面上部和下部下部气相沉积均匀性更好，成品质量大大提升。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的内部结构示意图；
附图标记：1、炉体，2、密封炉盖，3、隔热层，4、旋转座，5、驱动组件，6、罩体，7、石英层，8、加热层，9、升降组件，10、进气口，11、出气口，12、安装箱，13、支撑杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例
如图1和图2所示，一种碳/碳复合材料生产系统，包括炉体1，所述炉体1从上至下内径逐渐增大，所述炉体1的底部开设有上料口，所述上料口处设与炉体1可拆卸连接的密封炉盖2，所述炉体1的内侧表面和密封炉盖2的内侧表面均覆盖有隔热层3，所述密封炉盖2的顶部中心外设有旋转座4，所述密封炉盖2的底部中心设有驱动旋转座4转动的驱动组件5，所述旋转座4的顶部中心设有用于支撑坯体的罩体6，所述罩体6的内侧表面由外至内依次覆盖有石英层7和隔热层3，所述罩体6内的石英层7和隔热层3之间设有加热层8，所述密封炉盖2的底部还设有用于升降密封炉盖2的升降组件9，所述炉体1的侧壁顶部开设有进气口10，所述炉体1的侧壁底顶部开设有出气口11。
采用该碳/碳复合材料生产系统的生产方法步骤如下：
1、将坯体套装在与其形状匹配的罩体6外，再利用升降组件9将密封炉盖2升起，使密封炉盖2与炉体1之间密封完成坯体的安装；
2、启动加热层8进行加热，再将碳氢气体从进气口10通入炉体1内，并启动驱动组件5带动旋转座4旋转；
3、当沉积反应完毕后，停止驱动组件5，并利用升降级的将密封炉盖2降下，从炉体1底部取出内外完全致密的碳碳复合材料的坩埚即可。
本发明将加热层8设置在靠近坯体的内层，使坯体的内层先受热，并保持内层温度高于外层，由于碳氢气体首先接触的外层温度较低，因此，沉积主要先发生在坯体的内层，而坯体的外层沉积较少，随着沉积的进行，随着持续加热，坯体内外层的温差慢慢减小，沉积再逐渐由内层转向外层，最终形成内外完全致密的制品，相比于传统的制备方法，本发明的沉积周期明显缩短,造成制造成本也大大降低，极大的促进了碳/碳复合材料的的大规模应用；
另外，由于炉体1的内径从进气口10至出气口11方向逐渐增大形成伯努利效应，使得炉体1内的气体流速从进气口10方向至出气口11方向逐渐减小，气压从进气口10方向至出气口11方向逐渐增大，虽然碳氢气体通过炉体1时存在“消耗”现象，但是一方面由于气体流速逐渐减小，即气体在坯体表面的滞留时间逐渐增大，另一方面由于气体的气压逐渐增大，使得虽然在进气口10处，碳氢气体中碳含量较高，但在进气口10处的气体流速快沉积时间短，且气压小，而在出气口11处，虽然碳氢气体中碳含量较低，但在出气口11处气体流速慢沉积时间长，且气压大，使得坯体表面上部和下部下部气相沉积均匀性更好，成品质量大大提升。
其中，罩体6内侧的隔热层3用于将罩体6内部空间隔离，使加热层8产生的热量尽量向石英层7输出，提高热利用率，而炉体1内侧的隔热层3侧使炉体1温度不致于过多，从而保护炉体1；驱动组件5带动旋转座4旋转可避免加热层8加热时炉体1内碳氢气体受热不均匀从而导致沉积不均匀。
所述罩体6为石墨罩体6。石墨与碳碳复合材料成分相似，避免成品受到污染。
所述隔热层3为陶瓷纤维层。陶瓷纤维层具有极好的耐高温性能，能有效防火隔热。
所述加热层8为石英层7和陶瓷纤维层之间沿罩体6的内侧环面从上至下环绕设置的多圈感应加热线圈。通过感应加热线圈进行加热，结构更简单。
所述驱动组件5为伺服电机，所述伺服电机的输出轴贯穿密封炉盖2并通过联轴器与旋转座4的底部中心固定连接，所述伺服电机的输出轴与密封炉盖2之间连接有轴承。采用伺服电机通过联轴器驱动旋转座4转动，使加热层8对炉内碳氢气体加热得更均匀。
所述升降组件9为液压缸，所述密封炉盖2的底部中心处设有安装箱12，所述驱动组件5设于安装箱12内，所述液压缸的输出轴与安装箱12的底部中心固定连接。
由液压缸驱动直接带动安装箱12驱动密封炉盖2升降实现炉体1的开闭，液压缸可采用带电磁阀的型号，便于控制。
所述密封炉盖2的底部设有多个可伸缩的支撑杆13，且多个支撑杆13以升降组件9为中心呈圆周阵列设置，所述支撑杆13的顶端与密封炉盖2的底部对应位置固定连接。
为使密封炉盖2升降更平稳，在升降组件9周围设置多上起辅助导向作用的伸缩式支撑杆13，对密封炉盖2升降过程中进行竖直方向的限位。
所述炉体1呈上小下大的圆台状，且该圆台状对应的圆锥的锥角为15°～30°。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种碳/碳复合材料生产系统，其特征在于，包括炉体(1)，所述炉体(1)从上至下内径逐渐增大，所述炉体(1)的底部开设有上料口，所述上料口处设与炉体(1)可拆卸连接的密封炉盖(2)，所述炉体(1)的内侧表面和密封炉盖(2)的内侧表面均覆盖有隔热层(3)，所述密封炉盖(2)的顶部中心外设有旋转座(4)，所述密封炉盖(2)的底部中心设有驱动旋转座(4)转动的驱动组件(5)，所述旋转座(4)的顶部中心设有用于支撑坯体的罩体(6)，所述罩体(6)的内侧表面由外至内依次覆盖有石英层(7)和隔热层(3)，所述罩体(6)内的石英层(7)和隔热层(3)之间设有加热层(8)，所述密封炉盖(2)的底部还设有用于升降密封炉盖(2)的升降组件(9)，所述炉体(1)的侧壁顶部开设有进气口(10)，所述炉体(1)的侧壁底顶部开设有出气口(11)。
2.根据权利要求1所述碳/碳复合材料生产系统，其特征在于，所述罩体(6)为石墨罩体(6)。
3.根据权利要求2所述碳/碳复合材料生产系统，其特征在于，所述隔热层(3)为陶瓷纤维层。
4.根据权利要求3所述碳/碳复合材料生产系统，其特征在于，所述加热层(8)为石英层(7)和陶瓷纤维层之间沿罩体(6)的内侧环面从上至下环绕设置的多圈感应加热线圈。
5.根据权利要求4所述碳/碳复合材料生产系统，其特征在于，所述驱动组件(5)为伺服电机，所述伺服电机的输出轴贯穿密封炉盖(2)并通过联轴器与旋转座(4)的底部中心固定连接，所述伺服电机的输出轴与密封炉盖(2)之间连接有轴承。
6.根据权利要求5所述碳/碳复合材料生产系统，其特征在于，所述升降组件(9)为液压缸，所述密封炉盖(2)的底部中心处设有安装箱(12)，所述驱动组件(5)设于安装箱(12)内，所述液压缸的输出轴与安装箱(12)的底部中心固定连接。
7.根据权利要求6所述碳/碳复合材料生产系统，其特征在于，所述密封炉盖(2)的底部设有多个可伸缩的支撑杆(13)，且多个支撑杆(13)以升降组件(9)为中心呈圆周阵列设置，所述支撑杆(13)的顶端与密封炉盖(2)的底部对应位置固定连接。
8.根据权利要求7所述碳/碳复合材料生产系统，其特征在于，所述炉体(1)呈上小下大的圆台状，且该圆台状对应的圆锥的锥角为15°～30°。
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