CN113233911A - 一种空气通道用碳/碳摩擦环及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于摩擦环技术领域，特别涉及一种空气通道用碳/碳摩擦环及其制备方法。本发明提供的空气通道用碳/碳摩擦环的制备方法，包括以下步骤：利用碳纤维布制备环状预制件；利用烃类气体，对所述环状预制件进行化学气相渗透，得到所述空气通道用碳/碳摩擦环；所述化学气相渗透的条件包括：温度为900～1100℃，时间为80～400h，压强为3kPa～20kPa，混合气体的流量为2～20m3/h，混合气体的滞留时间为0.1～1s；所述混合气体为烃类气体和稀释气体，所述烃类气体和稀释气体的体积比为1：(3～8)。

Description

一种空气通道用碳/碳摩擦环及其制备方法
技术领域
本发明属于摩擦环技术领域，特别涉及一种空气通道用碳/碳摩擦环及其制备方法。
背景技术
压气机空气通道和压气机盘两者间属于间隙配合，通常其使用环境在300℃左右，在长时间(大于25000h)的运转当中，由于机体发生振动会产生空气通道和压气机盘的相对运动，使得空气通道和压气机盘两者之间容易产生磨损，影响压气机的使用寿命。
为改善压气机空气通道和压气机盘之间的磨损，目前采用的办法是在空气通道和压气机盘之间采用软且具有一定润滑性的聚酰亚胺复合材料作为摩擦环，隔绝空气通道和压气机盘之间直接的摩擦磨损，然后在维修时直接更换聚酰亚胺摩擦环。例如聚酰亚胺复合材料SP系列产品SP-21，是一种石墨填充聚酰亚胺复合材料，能长期服役于260℃环境中，短期使用温度能高达450℃，具有优良的力学性能、抗氧化性和导热性，但是，通常使用的聚酰亚胺材料SP-21的热膨胀系数大，在高温环境中尺寸稳定性差，而且生产工艺过程复杂，成型与处理工艺特殊，使得生产周期长、工业成本高，难以连续化大批量生产。
碳/碳复合材料由于具有质轻高强、耐磨耐高温、耐化学腐蚀、热膨胀系数低等优良特性，可作为高温结构材料、热防护材料以及刹车材料。目前制备碳/碳复合材料的方法主要是先驱体浸渍裂解法(PIP)和化学气相渗透法(CVI)。中国专利申请CN 111348931A公开了一种环状碳/碳复合材料的制备方法，其主要解决了高密度环状碳/碳材料的快速沉积，提高了产品密度的均匀性并缩短了致密化时间，但其采取的是分段沉积方法，需不断交替改变气态前驱体反应气体的流动方向，工艺较复杂，且不适合外径与内径相差很小的摩擦环。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种空气通道用碳/碳摩擦环及其制备方法，制备方法简单、周期短，成本低，适于工业化大批量生产；由本发明制备方法得到的碳/碳摩擦环具有密度高、热膨胀系数低、尺寸稳定性高和耐磨性能优异的特点，满足压气机空气通道和压气机盘之间装配使用需求。
为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种空气通道用碳/碳摩擦环的制备方法，包括以下步骤：
利用碳纤维布制备环状预制件；
利用烃类气体，对所述环状预制件进行化学气相渗透，得到所述空气通道用碳/碳摩擦环；
所述化学气相渗透的条件包括：温度为900～1100℃，时间为80～400h，压强为3kPa～20kPa，混合气体的流量为2～20m3/h，混合气体的滞留时间为0.1～1s；所述混合气体为烃类气体和稀释气体，所述烃类气体和稀释气体的体积比为1：(3～8)。
优选的，所述环状预制件的制备方法包括：将碳纤维布叠层编织，得到所述环状预制件。
优选的，所述碳纤维布的规格为3K、6K、12K或24K。
优选的，所述叠层编织前，还包括将碳纤维布进行除胶处理。
优选的，所述环状预制件的密度为0.4～1.2g/cm3。
优选的，所述烃类气体包括甲烷、乙烷、丙烷或丙烯。
优选的，所述稀释气体包括氮气或氩气。
优选的，所述化学气相渗透在无氧的条件下进行。
优选的，所述化学气相渗透的温度由室温升温得到，所述升温的速率为50～100℃/h。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的空气通道用碳/碳摩擦环，所述空气通道用碳/碳摩擦环的表观密度为1.7～2.1g/cm3。
本发明提供了一种空气通道用碳/碳摩擦环的制备方法，包括以下步骤：利用碳纤维布制备环状预制件；利用烃类气体，对所述环状预制件进行化学气相渗透，得到所述空气通道用碳/碳摩擦环；所述化学气相渗透的条件包括：温度为900～1100℃，时间为80～400h，压强为3kPa～20kPa，混合气体的流量为2～20m3/h，混合气体的滞留时间为0.1～1s；所述混合气体为烃类气体和稀释气体，所述烃类气体和稀释气体的体积比为1：(3～8)。本发明通过控制化学气相渗透的工艺参数，来控制化学气相渗透的致密化进程，有利于制备得到密度高、耐磨性能优异的碳/碳摩擦环，高温时碳/碳摩擦环不易发生体积收缩，热膨胀系数低、尺寸稳定性高；而且本发明提供的制备方法工艺简单，成本低，易于工业化生产。
实施例测试结果表明，由本发明提供的制备方法得到的空气通道用碳/碳摩擦环的密度为1.8～2.1g/cm3，摩擦系数为0.29～0.32，耐磨损；热膨胀系数低、尺寸稳定性高。
附图说明
图1为本发明提供的高温气相渗透炉的结构示意图，其中，1为炉腔，2为加热单元，3为进气口，4为出气口，1-1为石墨垫块，1-2为多料柱，1-3为多孔石墨底盘；
图2为空气通道用碳/碳摩擦环的装配示意图；
图3为实施例3所得空气通道用碳/碳摩擦环磨损前的实物图；
图4为实施例3所得空气通道用碳/碳摩擦环磨损后的实物图。
具体实施方式
本发明提供了一种空气通道用碳/碳摩擦环的制备方法，包括以下步骤：
利用碳纤维布制备环状预制件；
利用烃类气体，对所述环状预制件进行化学气相渗透，得到所述空气通道用碳/碳摩擦环；
所述化学气相渗透的条件包括：温度为900～1100℃，时间为80～400h，压强为3kPa～20kPa，混合气体的流量为2～20m3/h，混合气体的滞留时间为0.1～1s；所述混合气体为烃类气体和稀释气体，所述烃类气体和稀释气体的体积比为1：(3～8)。
在本发明中，若无特殊说明，所述各物质均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明利用碳纤维布制备环状预制件。
在本发明中，所述环状预制件的制备方法优选包括：将碳纤维布叠层编织，得到所述环状预制件。
在本发明中，所述碳纤维布中的碳纤维优选为T700级碳纤维。在本发明中，所述碳纤维布的规格优选为3K、6K、12K或24K。
在本发明中，所述碳纤维布的尺寸优选为空气通道摩擦环的尺寸。本发明对所述叠层编织没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的叠层编织即可。本发明通过叠层编织，得到环状的环状预制件。在本发明中，所述环状预制件的密度优选为0.4～1.2g/cm3，更优选为0.5～1.1g/cm3，再优选为0.6～1.0g/cm3。
所述叠层编织前，本发明优选还包括将碳纤维布进行除胶处理。在本发明中，所述除胶处理优选为保护气高温处理、空气氧化处理或丙酮浸泡处理。在本发明中，所述保护气高温处理优选为将所述碳纤维布置于保护气条件下进行高温保温；所述保护气优选为氩气；所述高温保温的温度优选为400～1000℃，更优选为400～600℃；保温时间优选为1～5h，更优选为2～3h。
在本发明中，所述氧化处理优选为将所述碳纤维布置于空气条件下进行氧化保温；所述氧化保温的温度优选为400～500℃，更优选为420～480℃，更优选为440～460℃；保温时间优选为0.5～5h，更优选为1～3h。
在本发明中，所述丙酮浸泡处理优选为将所述碳纤维布置于丙酮中进行浸泡处理。在本发明中，所述浸泡处理优选在室温条件下进行，具体的，如18～40℃。在本发明中，所述浸泡处理的时间优选为6～12h，更优选为6～10h。所述丙酮浸泡处理后，本发明优选将所得丙酮浸泡布依次进行清洗和干燥。在本发明中，所述清洗用试剂优选为水；所述清洗优选为超声。在本发明中，所述超声的时间优选为45min；本发明对所述超声的频率没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的超声频率即可。在本发明中，所述干燥的温度优选为80～120℃，更优选为90～110℃；本发明对所述干燥的时间没有特殊限定，以将水分完全烘干为准。
得到环状预制件后，本发明利用烃类气体，对所述环状预制件进行化学气相渗透，得到所述空气通道用碳/碳摩擦环。
在本发明中，进行所述化学气相渗透的设备优选为高温气相渗透炉。图1为本发明提供的高温气相渗透炉的结构示意图，下面根据图1对本发明所述高温气相渗透炉进行说明。
在本发明中，所述高温气相渗透炉优选包括炉腔1、设置在炉腔外周的加热单元2、设置在炉腔底部的进气管3和设置在炉腔顶部的出气管4。
在本发明中，所述炉腔1的内部优选包括下部的预热区和上部的恒温区。在本发明中，所述预热区优选包括若干均匀分布的石墨垫块1-1。在本发明中，所述恒温区设置有多料柱1-2；所述多料柱的个数优选为多个。在本发明中，所述多料柱的中垂线优选为水平垂直方向。在本发明中，所述多料柱的外径优选与空气通道用碳/碳摩擦环的内径相同。
在本发明中，所述预热区和恒温区之间设置有多孔石墨底盘1-3。本发明通过多孔石墨底盘将预热区与恒温区分隔开，以保证进入恒温区的烃类气体为化学气相渗透的温度。
本发明对所述加热单元没有特殊限定，以能够保证化学气相渗透的温度为准。
在本发明中，所述高温气相渗透炉有利于同时制备多个空气通道用碳/碳摩擦环。
本发明优选将所述环状预制件置于高温气相渗透炉炉腔中的多料柱上，密闭炉腔后依次进行气密性检查和排氧。在本发明中，所述气密性检查优选为将炉腔抽至极限真空后保压，若保压过程中炉腔真空度不变，则炉腔气密性良好；若保压过程中炉腔真空度上升，则炉腔气密性差，需要补漏；本发明对所述补漏没有特殊限定，以保证炉腔气密性良好为准。
在本发明中，所述排氧优选为向炉腔内吹扫保护气。在本发明中，所述保护气优选为氮气或氩气。在本发明中，所述吹扫中保护气的吹扫流量优选为10～100m3/h，更优选为20～60m3/h；吹扫时间优选为1～5h，更优选为2～4h。在本发明中，所述化学气相渗透优选在无氧的条件下进行。
排氧后，本发明利用烃类气体，对所述环状预制件进行化学气相渗透，得到所述空气通道用碳/碳摩擦环。
在本发明中，所述化学气相渗透的温度为900～1100℃，优选为920～1080℃，更优选为950～1050℃；时间为80～400h，优选为100～350h，更优选为150～300h；压强为3kPa～20kPa，优选为4kPa～19kPa，更优选为5kPa～18kPa。在本发明中，所述化学气相渗透中混合气体的流量为2～20m3/h，优选为3～19m3/h，更优选为4～18m3/h。在本发明中，所述化学气相渗透中混合气体的滞留时间为0.1～1s，优选为0.1～0.5s，更优选为0.1～0.3s。在本发明中，所述混合气体为烃类气体和稀释气体。在本发明中，所述烃类气体和稀释气体的体积比为1：(3～8)，优选为1：(4～7)，更优选为1：(5～6)。
在本发明中，所述烃类气体优选包括甲烷、乙烷、丙烷或丙烯。在本发明中，所述稀释气体优选包括氮气或氩气。
在本发明中，所述化学气相渗透的温度优选由室温升温得到，所述升温的速率优选为50～100℃/h，更优选为60～90℃/h，再优选为65～85℃/h。在本发明中，升温至所述化学气相渗透的温度后，本发明优选进行保温后再进行化学气相渗透；所述保温的时间优选为2h。本发明通过保温，充分释放碳纤维布纤维间的应力，有利于提高碳/碳摩擦环的力学性能，延长碳/碳摩擦环的使用寿命。
化学气相渗透后，本发明优选将所得的成型件进行抛光，得到所述空气通道用碳/碳摩擦环。本发明对所述抛光没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的抛光即可，具体的，如打磨。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的空气通道用碳/碳摩擦环。在本发明中，所述空气通道用碳/碳摩擦环的表观密度为1.7～2.1g/cm3，优选为1.8～2.05g/cm3。
在本发明中，所述空气通道用碳/碳摩擦环的宽度优选为22.1～24.1mm，更优选为22.6～23.6mm；厚度优选为0.29～0.49mm，更优选为0.34～0.44mm。在本发明中，所述空气通道用碳/碳摩擦环的内径与空气通道的外径相等。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种空气通道用碳/碳摩擦环及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将T700级3K的碳纤维布置于丙酮中，于室温下浸泡24h后，超声45min，然后于110℃干燥12h后，将所得的排胶碳纤维布进行叠层编织，得到5个密度为0.6g/cm3的环状预制件；
将所得的环状预制件分别置于同一高温气相渗透炉炉腔内的5个多料柱上，密闭高温气相渗透炉炉腔，抽真空至极限压强，保压以检查炉腔气密性，气密性良好，以60m3/h的氩气扫吹2h炉腔以排氧，将炉腔以5℃/min的速率升温至1050℃，保温2h后开始对所得环状预制件进行化学气相渗透，其中，化学气相渗透的条件为：温度为1050℃，时间为150h，压强为5kPa，混合气体流量为30m3/h，所述混合气体为烃类气体甲烷和稀释气体氮气，烃类气体和稀释气体的体积比为1：3，混合气体滞留时间为0.5s，得到成型件；
将所的成型件打磨抛光，得到所述空气通道用碳/碳摩擦环。
依据阿基米德排水法，测得本实施例所得5个空气通道用碳/碳摩擦环的表观密度为1.8g/cm3。
在MM-1000型万能摩擦试验机上对本实施例所得5个空气通道用碳/碳摩擦环进行摩擦磨损实验，试样尺寸为：φ33mm(外径)×φ25mm(内径)×4mm(厚度)的环状试样，对磨件为45#轴承钢；试验参数为：刹车线速度为30m/s，压力为60N/cm2。测得本实施例所得5个空气通道用碳/碳摩擦环的摩擦系数为0.30。
实施例2
将T700级6K的碳纤维布于500℃空气中保温1h，然后将所得的排胶碳纤维布进行叠层编织，得到5个密度为1.0g/cm3的环状预制件；
将所得的环状预制件分别置于同一高温气相渗透炉炉腔内的5个多料柱上，密闭高温气相渗透炉炉腔，抽真空至极限压强，保压以检查炉腔气密性，气密性良好，以30m3/h的氩气扫吹3h炉腔以排氧，将炉腔以5℃/min的速率升温至1000℃，保温2h后开始对所得环状预制件进行化学气相渗透，其中，化学气相渗透的条件为：温度为1000℃，时间为200h，压强为10kPa，混合气体流量为80m3/h，所述混合气体为烃类气体甲烷和稀释气体氮气，烃类气体和稀释气体的体积比为1：8，混合气体滞留时间为1s，得到成型件；
将所的成型件打磨抛光，得到所述空气通道用碳/碳摩擦环。
按照实施例1的测试方法，测得本实施例所得5个空气通道用碳/碳摩擦环的表观密度为2.1g/cm3；摩擦系数为0.32。
实施例3
将T700级12K的碳纤维布于800℃氩气中保温2h，然后将所得的排胶碳纤维布进行叠层编织，得到5个密度为0.8g/cm3的环状预制件；
将所得的环状预制件分别置于同一高温气相渗透炉炉腔内的5个多料柱上，密闭高温气相渗透炉炉腔，抽真空至极限压强，保压以检查炉腔气密性，气密性良好，以20m3/h的氩气扫吹4h炉腔以排氧，将炉腔以5℃/min的速率升温至1100℃，保温2h后开始对所得环状预制件进行化学气相渗透，其中，化学气相渗透的条件为：温度为1100℃，时间为100h，压强为15kPa，混合气体流量为50m3/h，所述混合气体为烃类气体甲烷和稀释气体氮气，烃类气体和稀释气体的体积比为1：5，混合气体滞留时间为1s，得到成型件；
将所的成型件打磨抛光，得到所述空气通道用碳/碳摩擦环。
按照实施例1的测试方法，测得本实施例所得5个空气通道用碳/碳摩擦环的表观密度为1.9g/cm3；摩擦系数为0.29。
将实施例3所得空气通道用碳/碳摩擦环装配于压气机上，装配示意图见图2，在转速为3000pm，全压为3.7kPa，压气机的进气流量为25kg/s的条件下运行1000h以观察空气通道用碳/碳摩擦环的表观磨损情况，实物图见图3～4，其中，图3为实施例3所得空气通道用碳/碳摩擦环磨损前的实物图，图4为实施例3所得空气通道用碳/碳摩擦环磨损后的实物图。由图3和图4比较可知，实施例3所得空气通道用碳/碳摩擦环耐磨损。
采用DIL402C热膨胀仪对实例3所得空气通道用碳/碳摩擦环进行热膨胀系数测试，试样的尺寸为3.5mm×3.5mm×20mm，在通入氩气的惰性气氛下，测量温度范围为室温～500℃，升温速率为3℃/min。测得500℃时垂直于纤维方向的平均热膨胀系数为5×10-6/℃，平行于纤维方向的平均热膨胀系数为2.5×10-6/℃。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种空气通道用碳/碳摩擦环的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用碳纤维布制备环状预制件；
利用烃类气体，对所述环状预制件进行化学气相渗透，得到所述空气通道用碳/碳摩擦环；
所述化学气相渗透的条件包括：温度为900～1100℃，时间为80～400h，压强为3kPa～20kPa，混合气体的流量为2～20m3/h，混合气体的滞留时间为0.1～1s；所述混合气体为烃类气体和稀释气体，所述烃类气体和稀释气体的体积比为1：(3～8)。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述环状预制件的制备方法包括：将碳纤维布叠层编织，得到所述环状预制件。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述碳纤维布的规格为3K、6K、12K或24K。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述叠层编织前，还包括将碳纤维布进行除胶处理。
5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述环状预制件的密度为0.4～1.2g/cm3。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烃类气体包括甲烷、乙烷、丙烷或丙烯。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述稀释气体包括氮气或氩气。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述化学气相渗透在无氧的条件下进行。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述化学气相渗透的温度由室温升温得到，所述升温的速率为50～100℃/h。
10.权利要求1～9任一项所述制备方法制备得到的空气通道用碳/碳摩擦环，其特征在于，所述空气通道用碳/碳摩擦环的表观密度为1.7～2.1g/cm3。
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