CN114875377B - 用于预制体增密的沉积装置及装炉结构 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及碳碳复合材料化学气相渗积技术领域，公开了一种用于预制体增密的沉积装置及装炉结构，待增密预制体与内限流筒的侧壁之间形成限流通道，待增密预制体顶部具有过流口，在炉腔内形成自所述炉腔入口依次通向限流通道、过流口和炉腔出口的限流路径。沉积过程中炉腔内热场由外而内温度逐渐降低，而沉积速度随温度增加呈指数增加,碳源气体首先由内表面渗透至温度较高的外侧进行沉积致密化,待增密预制体内部温度不断提高,沉积时沉积面不断向内推进,整个待增密预制体被完全沉积，避免待增密预制体表面结壳，待增密制体增密密度均匀。此外，通过上述限流路径可有效压缩碳源气体活动空间，增加活性基团碰撞几率，从而大大提升沉积效率。
Description
技术领域
本发明一般涉及碳碳复合材料化学气相渗积技术领域，具体涉及一种用于预制体增密的沉积装置及装炉结构。
背景技术
碳碳复合材料，即以碳纤维增强碳基体所组成的复合材料，不仅具有高比强度等良好的结构性能,而且具有耐热、绝热、吸附、超导、耐磨等优异的功能特性。目前国内外碳碳复合材料的制备普遍采用的是化学气相渗透工艺(CV I)，具体为将碳源气体直接通入沉积炉反应室，高温条件下碳源气体渗透进入碳纤维预制体内部进行裂解和沉积得到热解碳，使碳纤维预制体不断致密，最终得到所需密度的碳碳产品。尽管该工艺能避免对纤维和基体的破坏，改善基体的微观组织结构，提高复合材料的性能，但还存在着很多缺点，如沉积周期过长，制件密度不均匀，不能用于制备厚壁零件，且沉积过程中制件表面容易结壳，需要不断地采用机械加工手段切削壳层。因而碳碳复合材料制件的成本一直居高不下。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种用于预制体增密的沉积装置及装炉结构。
第一方面，本发明提供一种用于预制体增密的沉积装置，包括炉腔，所述炉腔的底部和顶部分别设有炉腔入口和炉腔出口，所述炉腔内设有内限流筒，所述内限流筒用于套设于待增密预制体内，与所述待增密预制体之间形成限流通道；所述待增密预制体的端面具有过流口，在装炉时，在所述炉腔内形成自所述炉腔入口依次通向所述限流通道、所述过流口和所述炉腔出口的限流路径。
在一个实施例中，所述用于预制体增密的沉积装置包括多个内限流筒，各所述内限流筒分别套设于各所述待增密预制体内形成多个结构单元，多个所述结构单元自所述炉腔入口至所述炉腔出口两两背扣；多个所述结构单元具有多个限流通道，每个所述过流口朝向所述炉腔出口的所述结构单元中，所述内限流筒与所述待增密预制体之间设置垫块以形成所述限流通道，多个所述限流通道相互连通。
在一个实施例中，所述用于预制体增密的沉积装置包括多个内限流筒，各所述内限流筒分别套设于各所述待增密预制体内形成多个结构单元，多个所述结构单元自所述炉腔入口至所述炉腔出口两两对扣；多个所述结构单元具有多个限流通道，每个所述过流口朝向所述炉腔出口的所述结构单元中，所述内限流筒与所述待增密预制体之间设置垫块以形成所述限流通道，多个所述限流通道相互连通。
在一个实施例中，所述用于预制体增密的沉积装置还包括外限流筒，所述外限流筒顶部具有出流口；所述外限流筒套用于设于所述待增密预制体外，在所述炉腔内形成自所述炉腔入口依次通向所述限流通道、所述过流口、所述出流口和所述炉腔出口的限流路径。
在一个实施例中，所述内限流筒与所述待增密预制体的内腔形状相同。
在一个实施例中，所述外限流筒的内壁与所述待增密预制体的外壁间隔30-50mm，所述内限流筒的外壁与所述待增密预制体的内壁间隔20-30mm。
在一个实施例中，所述用于预制体增密的沉积装置还包括底座，所述底座上设有入流口，所述内限流筒和所述外限流筒依次套设并置于所述底座上；装炉时，在所述炉腔内形成自所述炉腔入口依次通向所述入流口、所述限流通道、所述过流口、所述出流口和所述炉腔出口的限流路径。
在一个实施例中，所述底座包括底座环和分流板，所述分流板边缘具有向中间凹陷的安装部，所述安装部的下表面与所述底座环装配，所述安装部的上表面与所述外限流筒装配，所述入流口设于所述分流板上。
在一个实施例中，最上方的所述结构单元还包括限流板，所述限流板通过垫块搭接于所述待增密预制体上并遮挡形成所述过流口，所述限流板与所述待增密预制体之间设有垫块。
在一个实施例中，各所述内限流筒靠近所述过流口的端面均设有第一缺口，所述内限流筒上搭接有第一盖板，所述第一盖板遮挡所述第一缺口；所述外限流筒的顶部设有第二缺口，所述外限流筒上搭接有第二盖板，所述第二盖板遮挡所述第二缺口，所述出流口开设于所述第二盖板上。
在一个实施例中，所述分流罩、所述底座环、所述分流板、所述外限流筒、所述内限流筒、所述垫块、所述限流板、所述第一盖板和所述第二盖板均采用石墨材质或碳碳材质制成。
第二方面，本发明提供一种用于预制体增密的装炉结构，包括炉腔，所述炉腔的底部和顶部分别设有炉腔入口和炉腔出口，所述炉腔内设有内限流筒和待增密预制体，所述待增密预制体套设于所述内限流筒外，所述待增密预制体与所述内限流筒的侧壁之间形成限流通道，所述待增密预制体的封闭端面具有过流口，在所述炉腔内形成自所述炉腔入口依次通向所述限流通道、所述过流口和所述炉腔出口的限流路径。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本方案提供一种用于预制体增密的沉积装置及装炉结构，待增密预制体与内限流筒的侧壁之间形成限流通道，待增密预制体顶部具有过流口，在所述炉腔内形成自所述炉腔入口依次通向所述限流通道、所述过流口和所述炉腔出口的限流路径。沉积过程中炉腔内热场由外而内温度逐渐降低，而沉积速度随温度增加呈指数增加,碳源气体首先由内表面渗透至温度较高的外侧进行沉积致密化,待增密预制体内部温度不断提高,沉积进行时沉积面不断向内推进,整个待增密预制体被完全沉积，避免待增密预制体表面结壳，待增密制体增密密度均匀。此外，通过上述限流路径可有效压缩碳源气体活动空间，增加活性基团碰撞几率，从而大大提升沉积效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出了本申请实施例涉及的用于预制体增密的沉积装置装炉时的结构示意图；
图2示出了本申请实施例涉及的用于预制体增密的沉积装置装炉时的气体流动示意图。
图中：1-分流罩，2-底座环，3-分流板，4-内限流筒，5-待增密预制体，6-外限流筒，7-第一盖板，8-垫块，9-限流板，10-第二盖板，11-炉腔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1和图2示出了本申请实施例所提供的用于预制体增密的沉积装置的示意图。
如图1所示，用于预制体增密的沉积装置包括炉腔11，所述炉腔11的底部和顶部分别设有炉腔入口和炉腔出口，所述炉腔内设有内限流筒4，所述内限流筒4用于套设于待增密预制体5内，与所述待增密预制体5之间形成限流通道；所述待增密预制体5的端面具有过流口，在装炉时，在所述炉腔11内形成自所述炉腔入口依次通向所述限流通道、所述过流口和所述炉腔出口的限流路径。
沉积设备的加热装置多布置于炉壁，沉积过程中炉腔11内热场由外而内温度逐渐降低，而沉积速度随温度增加呈指数增加,碳源气体首先由内表面渗透至温度较高的外侧进行沉积致密化,待增密预制体5内部温度不断提高,沉积进行时沉积面不断向内推进,整个待增密预制体5被完全沉积，避免待增密预制体5表面结壳，待增密制体增密密度均匀。此外，通过上述限流路径可有效压缩碳源气体活动空间，增加活性基团碰撞几率，从而大大提升沉积效率。
另外，相对其它气相沉积技术而言，除了能消除沉积时的表层硬壳现象外,使得待增密制体5增密密度均匀外，在沉积速率方面还具有以下优点：碳源气体在限流通道中流过，减少气体流动范围，以此缩短气体滞留时间；通过限流通道可有效压缩碳源气体活动空间，增加活性基团碰撞几率，从而大大提升沉积效率。
所述用于预制体增密的沉积装置还包括外限流筒6，所述外限流筒6顶部具有出流口；装炉时，所述外限流筒6套设于所述待增密预制体5外，在所述炉腔11内形成自所述炉腔入口依次通向所述限流通道、所述过流口、所述出流口和所述炉腔出口的限流路径。
碳源气体从沉积炉的炉腔入口通入，碳源气体进入限流通道，流过限流通道后由过流口进入出流口，最后由出流口流出，通过沉积炉动力系统驱动将气体抽至炉外。
所述用于预制体增密的沉积装置还包括底座，所述底座上设有入流口，所述内限流筒4和所述外限流6筒依次套设并置于所述底座上；装炉时，在所述炉腔11内形成自所述炉腔入口依次通向所述入流口、所述限流通道、所述过流口、所述出流口和所述炉腔出口的限流路径。碳源气体由炉腔入口进入炉腔，再从底座上的入流口进入限流通道，流过限流通道后由过流口进入出流口，最后由出流口流出至炉腔11内，通过沉积炉动力系统驱动将气体由炉腔出口抽至炉外。装炉时，可以通过吊装设备夹持底座将沉积设备整体吊入炉腔内。
所述用于预制体增密的沉积装置包括多个内限流筒4；装炉时，各所述待增密预制体5分别套设于各所述内限流筒4外形成多个结构单元，多个所述结构单元自所述炉腔入口至所述炉腔出口依次镜像对称、堆叠设置；多个所述结构单元具有多个限流通道，每个所述过流口朝向所述炉腔出口的所述结构单元中，所述内限流筒4与所述待增密预制体5之间设置垫块8以形成所述限流通道，多个所述限流通道相互连通。当设置多个内限流筒4和多个待增密预制体5时，需要将多个结构单元一起吊入炉腔内，外限流筒6可以起到较好的承重作用。
在本申请一个实施例中，所述用于预制体增密的沉积装置包括多个内限流筒4，各所述内限流筒4分别套设于各所述待增密预制体5内形成多个结构单元，多个所述结构单元自所述炉腔11入口至所述炉腔11出口两两背扣；多个所述结构单元具有多个限流通道，每个所述过流口朝向所述炉腔11出口的所述结构单元中，所述内限流筒4与所述待增密预制体5之间设置垫块8以形成所述限流通道，多个所述限流通道相互连通。最下方的所述结构单元倒扣于所述底座上，另一个所述结构单元背扣于最下方的所述结构单元上。相互背扣的两个所述结构单元的所述内限流筒4和所述待增密预制体5分别背扣。
在本申请一个实施例中，所述用于预制体增密的沉积装置包括多个内限流筒4，各所述内限流筒4分别套设于各所述待增密预制体5内形成多个结构单元，多个所述结构单元自所述炉腔11入口至所述炉腔11出口两两对扣；多个所述结构单元具有多个限流通道，每个所述过流口朝向所述炉腔出口的所述结构单元中，所述内限流筒4与所述待增密预制体5之间设置垫块8以形成所述限流通道，多个所述限流通道相互连通。最下方的所述结构单元正置于所述底座上，另外一个所述结构单元对扣于最下方的所述结构单元上，其余所述结构单元按照前述方式两两相互对扣。
需要说明的是，结构单元两两背扣时，两个待增密预制体5的一端分别接触，具体是靠近炉腔入口的待增密预制体5倒扣设置，靠近炉腔出口的待增密预制体正向设置于倒扣设置的待增密预制体5上；结构单元两两对扣时，两个待增密预制体5的另一端分别接触，具体是靠近炉腔入口的待增密预制体正向设置，靠近炉腔出口的待增密预制体5倒扣设置于正向设置的待增密预制体5上。
在上述实施例中，倒扣设置的结构单元中，待增密预制体5和内限流筒4依次套设并倒扣，所述待增密预制体5与所述内限流筒4间隔设置形成限流通道。碳源气体顺着该结构单元的限流通道自下而上流动，内限流筒4上端封闭，因而碳源气体从该结构单元增密预制体5的过流口流出至相邻的正置的结构单元。
正置的结构单元中，待增密预制体5和内限流筒4依次套设并正置，所述内限流筒4与所述待增密预制体5之间设置垫块8以形成所述限流通道。碳源气体自该结构单元的过流口进入限流通道，顺着限流通道向上流动至相邻的倒扣设置的结构单元中。
其中，所述内限流筒4可以根据装炉产品规格调整自身高度及直径，所述内限流筒4的外壁与所述待增密预制体5的内壁间隔20-30mm。内限流筒4与预制体支撑位置用3至6块高度20-30mm的垫块8垫起。
进一步，所述内限流筒4与所述待增密预制体5的内腔形状相同。因内限气工装外形及弧度与预制体保持一致，这样就避免了因流动通道不规则产生的紊流现象。所述外限流筒6可以根据装炉产品规格调整自身高度及直径，所述外限流筒6的内壁与所述待增密预制体5的外壁间隔30-50mm，若整体高度尺寸较大，外限流筒6可以采用拼接结构。
在上述实施例中，最上方倒扣的所述结构单元还包括限流板，所述限流板通过垫块8搭接于所述待增密预制体5上形成所述过流口，可以适当延长碳源气体集中在待增密预制体5内壁的时间。
倒扣设置的结构单元中，过流口指的是待增密预制体顶部设置的开口，限流板置于开口边缘外侧并遮挡所述开口。正置的结构单元中，过流口指的是待增密预制体5筒状结构的开口端，限流板置于待增密预制体5开口端边缘并遮挡所述开口端。
也可不设置限流板遮挡待增密预制体5上的过流口，出流口与过流口同轴设置，且出流口小于过流口的尺寸，对过流口流出的碳源气体进行遮挡，也能在一定程度上实现对碳源气体的流出速度进行控制。
倒扣设置的结构单元中，过流口指的是待增密预制体顶部设置的开口。正置的结构单元中，过流口指的是待增密预制体5筒状结构的开口端。
各所述内限流筒4靠近所述过流口的端面均设有第一缺口，所述内限流筒4上搭接有第一盖板7，所述第一盖板7遮挡所述第一缺口；所述外限流筒6的顶部设有第二缺口，所述外限流筒6上搭接有第二盖板10，所述第二盖板10遮挡所述第二缺口，所述出流口开设于所述第二盖板10上。将内限流筒4和外限流筒6设为分体结构，便于加工，节省成本。
需要说明的是，也可以不设置盖板遮挡内限流筒4上的第一缺口，但第一缺口的尺寸须小于待增密预制体5上过流口的尺寸，甚至是没有第一缺口，以防止碳源气体回流至内限流筒4。
其中，所述底座包括底座环2和分流板3，所述分流板3边缘具有向中间凹陷的安装部，所述安装部的下表面与所述底座环2装配，所述安装部的上表面与所述外限流筒6装配，所述入流口设于所述分流板3上。优选地，所述底座环2底部加工有吊装卡槽。优选地，所述入流口设为按分流板3上圆周方向均布的一圈直径为10-20mm的气孔。
此外，所述用于预制体增密的沉积装置还包括用于将碳源气体均匀分布并通过的分流罩1，所述分流罩1置于所述炉腔11的入口处，所述底座环2套设于所述分流罩1外侧，所述分流板3设于所述分流罩1上方。所述分流罩1侧壁和上端面均匀排布小孔，以保证工装内部各方向气量均匀分布。
所述分流罩1、所述底座环2、所述分流板3、所述外限流筒6、所述内限流筒4、所述垫块8、所述限流板、所述第一盖板7和所述第二盖板10均采用石墨材质或碳碳材质制成。
所述待增密预制体5采用碳含量80％以上碳纤维丝制成，所述待增密预制体的密度为0.3g/cm3至0.8g/cm3。
如图2所示，按照上述结构装炉后，将分流罩1置于进气口上，通过吊装设备夹持底座环2将沉积设备装炉后的结构整体吊入沉积炉炉腔11内并置于分流罩1正上方，开始进行快速化学气相沉积。沉积炉内碳源气体流动路径如图2所示，碳源气体从沉积炉进气口通入，经过分流罩1将碳源气体均匀分布并通过分流板3上的入流口进入待增密预制体5与内限流筒4之间的限流通道，气体顺着通道自下而上流动，相背设置的两结构单元之间的内限流筒4上用第一盖板7封住，使碳源气体无法进入内限流筒4内部，气体流至上方结构单元内限流筒4与待增密预制体5之间设置垫块8形成的限流通道后从待增密预制体5与限流板9之间被垫块8垫起的缝中流出，再通过第二盖板10中间的出流口，最后通过沉积炉动力系统驱动将气体通过炉腔出口抽至炉外。
另外，图1和图2同样示出了本申请实施例所提供的用于预制体增密的装炉结构的示意图。
用于预制体增密的装炉结构，包括炉腔，所述炉腔的底部和顶部分别设有炉腔入口和炉腔出口，所述炉腔内设有内限流筒和待增密预制体，所述待增密预制体套设于所述内限流筒外，所述待增密预制体与所述内限流筒的侧壁之间形成限流通道，所述待增密预制体的封闭端面具有过流口，在所述炉腔内形成自所述炉腔入口依次通向所述限流通道、所述过流口和所述炉腔出口的限流路径。
沉积设备的加热装置多布置于炉壁，沉积过程中炉腔11内热场由外而内温度逐渐降低，而沉积速度随温度增加呈指数增加,碳源气体首先由内表面渗透至温度较高的外侧进行沉积致密化,待增密预制体5内部温度不断提高,沉积进行时沉积面不断向内推进,整个待增密预制体5被完全沉积，避免待增密预制体5表面结壳，待增密制体增密密度均匀。此外，通过上述限流路径可有效压缩碳源气体活动空间，增加活性基团碰撞几率，从而大大提升沉积效率。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离前述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (12)
1.一种用于预制体增密的沉积装置，其特征在于，包括炉腔，所述炉腔的底部和顶部分别设有炉腔入口和炉腔出口，所述炉腔内设有内限流筒，所述内限流筒用于套设于待增密预制体内，与所述待增密预制体之间形成限流通道；所述待增密预制体的端面具有过流口，在装炉时，在所述炉腔内形成自所述炉腔入口依次通向所述限流通道、所述过流口和所述炉腔出口的限流路径。
2.根据权利要求1所述的用于预制体增密的沉积装置，其特征在于，所述用于预制体增密的沉积装置包括多个内限流筒，各所述内限流筒分别套设于各所述待增密预制体内形成多个结构单元，多个所述结构单元自所述炉腔入口至所述炉腔出口两两背扣；多个所述结构单元具有多个限流通道，每个所述过流口朝向所述炉腔出口的所述结构单元中，所述内限流筒与所述待增密预制体之间设置垫块以形成所述限流通道，多个所述限流通道相互连通。
3.根据权利要求1所述的用于预制体增密的沉积装置，其特征在于，所述用于预制体增密的沉积装置包括多个内限流筒，各所述内限流筒分别套设于各所述待增密预制体内形成多个结构单元，多个所述结构单元自所述炉腔入口至所述炉腔出口两两对扣；多个所述结构单元具有多个限流通道，每个所述过流口朝向所述炉腔出口的所述结构单元中，所述内限流筒与所述待增密预制体之间设置垫块以形成所述限流通道，多个所述限流通道相互连通。
4.根据权利要求2或3任一项所述的用于预制体增密的沉积装置，其特征在于，所述用于预制体增密的沉积装置还包括外限流筒，所述外限流筒顶部具有出流口；所述外限流筒用于套设于所述待增密预制体外，在所述炉腔内形成自所述炉腔入口依次通向所述限流通道、所述过流口、所述出流口和所述炉腔出口的限流路径。
5.根据权利要求1至3任一项所述的用于预制体增密的沉积装置，其特征在于，所述内限流筒与所述待增密预制体的内腔形状相同。
6.根据权利要求4所述的用于预制体增密的沉积装置，其特征在于，所述外限流筒的内壁与所述待增密预制体的外壁间隔30-50mm，所述内限流筒的外壁与所述待增密预制体的内壁间隔20-30mm。
7.根据权利要求4所述的用于预制体增密的沉积装置，其特征在于，所述用于预制体增密的沉积装置还包括底座，所述底座上设有入流口，所述内限流筒和所述外限流筒依次套设并置于所述底座上；装炉时，在所述炉腔内形成自所述炉腔入口依次通向所述入流口、所述限流通道、所述过流口、所述出流口和所述炉腔出口的限流路径。
8.根据权利要求7所述的用于预制体增密的沉积装置，其特征在于，所述底座包括底座环和分流板，所述分流板边缘具有向中间凹陷的安装部，所述安装部的下表面与所述底座环装配，所述安装部的上表面与所述外限流筒装配，所述入流口设于所述分流板上。
9.根据权利要求8所述的用于预制体增密的沉积装置，其特征在于，最上方的所述结构单元还包括限流板，所述限流板通过垫块搭接于所述待增密预制体上形成所述过流口。
10.根据权利要求9所述的用于预制体增密的沉积装置，其特征在于，各所述内限流筒靠近所述过流口的端面均设有第一缺口，所述内限流筒上搭接有第一盖板，所述第一盖板遮挡所述第一缺口；所述外限流筒的顶部设有第二缺口，所述外限流筒上搭接有第二盖板，所述第二盖板遮挡所述第二缺口，所述出流口开设于所述第二盖板上。
11.根据权利要求10所述的用于预制体增密的沉积装置，其特征在于，所述底座环、所述分流板、所述外限流筒、所述内限流筒、所述垫块、所述限流板、所述第一盖板和所述第二盖板均采用石墨材质或碳碳材质制成。
12.一种用于预制体增密的装炉结构，其特征在于，包括炉腔，所述炉腔的底部和顶部分别设有炉腔入口和炉腔出口，所述炉腔内设有内限流筒和待增密预制体，所述待增密预制体套设于所述内限流筒外，所述待增密预制体与所述内限流筒的侧壁之间形成限流通道，所述待增密预制体的封闭端面具有过流口，在所述炉腔内形成自所述炉腔入口依次通向所述限流通道、所述过流口和所述炉腔出口的限流路径。
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