CN115259882A - 一种复材纤维丝缠绕碳碳复合材料的生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种复材纤维丝缠绕碳碳复合材料的生产工艺，通过改变坩埚/埚邦类的结构(减小碳碳产品的壁厚)，在其外侧缠绕纤维丝来减小产品表面的孔洞，减少硅蒸汽进入碳基体的腐蚀通道，从而延长了坩埚/埚邦类产品受硅蒸汽腐蚀的使用寿命，对于保温桶类而言，通过对变形的保温桶进行机加工，所得到产品相较于成品存在明显的壁厚不均匀现象，二次机加工后，产品壁厚变薄，将碳纤维缠绕在其外表面，且缠绕过程带有预紧力，该方式可有效减小产品变形量、提高产品合格率。该方法还可解决了CVI(化学气相渗透法)对坩埚/埚邦增密缓慢的问题，进一步降低了制备成本、提高了生产效率。

Description

一种复材纤维丝缠绕碳碳复合材料的生产工艺
技术领域
本发明涉及一种复材纤维丝缠绕碳碳复合材料的生产工艺。
背景技术
目前光伏行业内普遍痛点：对于光伏拉晶企业而言，存在碳碳坩埚/埚邦类受力件使用寿命低的问题，对于碳碳复合材料制备企业而言，保温桶类变形量大且制备成品率低(尺寸越大越容易变形)；如何有效的提高受力件使用寿命，提高保温桶的成品率是每家碳/碳复合材料制备公司所追求的目标。
专利《一种碳纤维缠绕坩埚及其制备方法》(CN113072387A)公开了一种碳纤维缠绕坩埚的制备方法，具体制备方法如下：模具的制备；粘接剂的制备；碳纤维的浸渍；碳纤维缠绕坩埚第一毛坯的制备；碳纤维缠绕坩埚第一毛坯的固化；碳纤维缠绕坩埚第二毛坯的碳化；碳纤维缠绕坩埚第二毛坯的浸渍-碳化；碳纤维缠绕坩埚第二毛坯石墨化；机加工；涂层。该专利分段制备碳碳坩埚采用两个坩埚组合进行缠绕，以此缠绕可得到两个坩埚毛坯再粘接；其缺点：两层纤维缠绕组合式仅靠树脂碳化产物连接不牢，在受到外力撞击时易分层，纯纤维缠绕坩埚内侧为石英埚接触面，每次清理石英埚时，内侧纤维易受外物剐蹭及碰撞造成缠绕纤维受损分段掉落出现表面不平等、周向开裂等问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种复材纤维丝缠绕碳碳复合材料的生产工艺，通过将预制体沉积制备的碳碳件和纤维缠绕结合，既解决了纤维分层问题，也解决了碳碳坩埚内侧石英埚清理时对产品内壁面造成的撞击而引起内侧缠绕纤维分段掉落和周向开裂问题。除此之外，该工艺应用到保温桶上还可以大幅度提高保温桶的合格率及制备效率。该制备方法可以大幅度降低产品的制备成本。
本发明可通过以下技术方案予以实现：
一种复材纤维丝缠绕碳碳复合材料的生产工艺，，包括以下步骤：
1)三维编织碳纤维预制体；
2)预制体固化处理；
3)沉积增密；
4)机加工毛坯件，内径保留余量1-10mm、外径加工到比成品图纸尺寸小5-15mm；
5)在机加过后的碳碳产品外侧缠绕纤维丝；
6)纤维丝缠绕之后通过浸渍碳化增密，
7)高温石墨化处理；
8)机加工产品内径至图纸要求的尺寸，外径为近尺寸成型无需机加工；
9)将机加工后的产品转移至沉积炉内，将沉积区温度加热到1000～1150℃、压力控制在1-4KPa、天然气流量控制在1-3m3进行热解碳涂层，即得复材纤维丝缠绕碳碳复合材料的生产工艺。
进一步地，所述步骤1)具体为：
1)将300-420g/m2碳布或单向布与40-110g/m2的网胎复合制作成复合布备用；
2)将70-120g/m2网胎铺于表面粘有EVA板的木模上进行打底针刺，EVA板厚度控制在11-14mm，针刺密度控制在25-40针/cm2；
3)将准备好的复合布平铺在网胎层表面，铺平后继续针刺1-2遍；
4)在针刺后的复合布表面缠绕碳纤维丝，纤维丝间距1-2cm；
5)以上1)-4)为一个标准单元层，在该单元层上重复以上1)-4)网胎-复合布-绕丝的动作，直至达到预制体既定厚度。
进一步地，所述步骤2)具体为：将所述碳纤维预制体置于烘箱内，并在预制体内侧放置石墨模具，石墨模具和预制体之间保留1-4mm的间隙，测量模具和预制体之间的间隙是否均匀，若不均匀通过木制工具拍打预制体外侧至圆形再测其间隙至均匀，将配制好的重量比树脂粉：酒精为1：2-1：5的树脂溶液，涂刷在预制体外表面，然后烘箱升至180-200℃温度进行热固化。
进一步地，所述步骤3)具体为：将前驱体天然气或混合气于沉积区温度满足1000～1150℃、压力1-10KPa下通入，天然气流量控制在1-30m3，沉积区放置有预制体，前驱体在高温下裂解，在预制体孔隙内沉碳，最终制备得到碳碳毛坯件。
进一步地，所述步骤5)中纤维丝部分为整体产品体积的1/3-1/2，采用多丝束同步螺旋湿法缠绕工艺，缠绕角易控制在30°-60°之间，缠绕张紧力易控制在0-110N之间，待缠绕件外径和产品图纸外径一致时，结束缠绕。
进一步地，所述步骤6)中，浸渍采取沥青浸渍，沥青浸渍压力控制在2-2.5MPa，温度160-180℃之间，其碳化温度要求达到800℃-1000℃、碳化后产品密度要求1.4-1.45g/cm3。
进一步地，将所述步骤7)中满足密度要求且碳化过后的产品放置于高温石墨化炉内，负压升温至1700-1900℃，保温2-3h后降温。
有益效果
本发明通过纤维丝缠绕碳碳件外壁面的方式可以减小产品孔隙率和表面孔洞数量，减少了硅蒸汽通过孔隙渗透对基体碳的腐蚀作用，从而增加产品使用寿命；
由于预制体的减薄，沉积增密所需的时间可以大幅压缩，从而有效降低了增密阶段的制备成本。预制体的减薄也降低了原材料的使用量，同时降低了预制体的制备时间，提升了制备效率。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明预制体沉积前结构示意图；
图3为本发明预制体沉积后结构示意图；
图4为本发明中纤维缠绕结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
本发明的一种复材纤维丝缠绕碳碳复合材料的生产工艺，使生产的产品使用寿命增加3-6个月，生产成本降低10-30％，具体制备步骤参考图1所示，具体为：
步骤1：三维编织碳纤维预制体。(1)、将300-420g/m2碳布或单向布与40-110g/m2的网胎复合制作成复合布备用；(2)、将70-120g/m2网胎铺于表面粘有EVA板的木模上进行打底针刺，EVA板厚度控制在11-14mm厚，针刺密度控制在25-40针/cm2；(3)、将准备好的复合布平铺在网胎层表面，注意不要出现褶皱、鼓包情况，铺平后继续针刺1-2遍；(4)、在针刺后的复合布表面缠绕碳纤维丝，纤维丝间距1-2cm。以上(1)-(4)为一个标准单元层，在该单元层上重复网胎-复合布-绕丝的动作，直至达到预制体既定厚度；
步骤2：预制体固化处理。将碳纤维预制体置于烘箱内，并在预制体内侧放置石墨模具，石墨模具和预制体之间保留1-4mm的间隙，测量模具和预制体之间的间隙是否均匀，若不均匀通过木制工具拍打预制体外侧至圆形再测其间隙至均匀，将配制好的树脂溶液(重量比，树脂粉：酒精＝1：2-1：5)涂刷在预制体外表面，然后烘箱升至180-200℃温度进行热固化；
步骤3：沉积增密。将前驱体天然气或混合气(天然气和丙烷的体积比10:1-10:2)于沉积区温度满足1000～1150℃、压力1-10KPa下通入，天然气流量控制在1-30m3，沉积区放置有预制体，前驱体在高温下裂解，在预制体孔隙内沉碳，(沉积前和沉积后分别图2和3所示)最终制备得到碳碳毛坯件；
步骤4：机加工毛坯件，内径保留余量1-10mm、外径加工到比成品图纸尺寸小5-15mm；
步骤5：在机加过后的碳碳产品外侧缠绕纤维丝，纤维丝部分为整体产品体积的1/3-1/2(如图4所示，图中A为未填充碳碳部分，B为填充为碳纤维缠绕部分)，采用多丝束同步螺旋湿法缠绕工艺，缠绕角易控制在30°-60°之间，缠绕张紧力易控制在0-110N之间，待缠绕件外径和产品图纸外径一致时，结束缠绕：
步骤6：纤维丝缠绕之后通过浸渍碳化增密，浸渍采取沥青浸渍，沥青浸渍压力控制在2-2.5MPa，温度160-180℃之间，其碳化温度要求达到800℃-1000℃、碳化后产品密度要求1.4-1.45g/cm3，密度低于该范围需反复进行浸渍碳化工序；
步骤7：高温石墨化处理。将满足密度要求且碳化过后的产品放置于高温石墨化炉内，负压升温至1700-1900℃，保温2-3h后降温；
步骤8：机加工产品内径至图纸要求的尺寸，外径为近尺寸成型无需机加工；
步骤9：将机加工后的产品转移至沉积炉内，将沉积区温度加热到1000-1150℃、压力控制在1-4KPa、天然气流量控制在1-3m3进行热解碳涂层，涂层完毕检验刻号发货。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种复材纤维丝缠绕碳碳复合材料的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)三维编织碳纤维预制体；
2)预制体固化处理；
3)沉积增密；
4)机加工毛坯件，内径保留余量1-10mm、外径加工到比成品图纸尺寸小5-15mm；
5)在机加过后的碳碳产品外侧缠绕纤维丝；
6)纤维丝缠绕之后通过浸渍碳化增密，
7)高温石墨化处理；
8)机加工产品内径至图纸要求的尺寸，外径为近尺寸成型无需机加工；
9)将机加工后的产品转移至沉积炉内，将沉积区温度加热到1000～1150℃、压力控制在1-4KPa、天然气流量控制在1-3m3进行热解碳涂层，即得复材纤维丝缠绕碳碳复合材料的生产工艺。
2.根据权利要求1所述的一种复材纤维丝缠绕碳碳复合材料的生产工艺，其特征在于，所述步骤1)具体为：
1)将300-420g/m2碳布或单向布与40-110g/m2的网胎复合制作成复合布备用；
2)将70-120g/m2网胎铺于表面粘有EVA板的木模上进行打底针刺，EVA板厚度控制在11-14mm，针刺密度控制在25-40针/cm2；
3)将准备好的复合布平铺在网胎层表面，铺平后继续针刺1-2遍；
4)在针刺后的复合布表面缠绕碳纤维丝，纤维丝间距1-2cm；
以上1)-4)为一个标准单元层，在该单元层上重复以上1)-4)网胎-复合布-绕丝的动作，直至达到预制体既定厚度。
3.根据权利要求1所述的一种复材纤维丝缠绕碳碳复合材料的生产工艺，其特征在于，所述步骤2)具体为：将所述碳纤维预制体置于烘箱内，并在预制体内侧放置石墨模具，石墨模具和预制体之间保留1-4mm的间隙，测量模具和预制体之间的间隙是否均匀，若不均匀通过木制工具拍打预制体外侧至圆形再测其间隙至均匀，将配制好的重量比树脂粉：酒精为1：2-1：5的树脂溶液，涂刷在预制体外表面，然后烘箱升至180-200℃温度进行热固化。
4.根据权利要求1所述的一种复材纤维丝缠绕碳碳复合材料的生产工艺，其特征在于，所述步骤3)具体为：将前驱体天然气或混合气于沉积区温度满足1000～1150℃、压力1-10KPa下通入，天然气流量控制在1-30m3，沉积区放置有预制体，前驱体在高温下裂解，在预制体孔隙内沉碳，最终制备得到碳碳毛坯件。
5.根据权利要求1所述的一种复材纤维丝缠绕碳碳复合材料的生产工艺，其特征在于，所述步骤5)中纤维丝部分为整体产品体积的1/3-1/2，采用多丝束同步螺旋湿法缠绕工艺，缠绕角易控制在30°-60°之间，缠绕张紧力易控制在0-110N之间，待缠绕件外径和产品图纸外径一致时，结束缠绕。
6.根据权利要求1所述的一种复材纤维丝缠绕碳碳复合材料的生产工艺，其特征在于，所述步骤6)中，浸渍采取沥青浸渍，沥青浸渍压力控制在2-2.5MPa，温度160-180℃之间，其碳化温度要求达到800℃-1000℃、碳化后产品密度要求1.4-1.45g/cm3。
7.根据权利要求1所述的一种复材纤维丝缠绕碳碳复合材料的生产工艺，其特征在于，将所述步骤7)中满足密度要求且碳化过后的产品放置于高温石墨化炉内，负压升温至
1700-1900℃，保温2-3h后降温。
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