CN117049886A - 一种碳碳器具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及碳纤维材料体技术领域，特别涉及一种碳碳器具及其制备方法，包括:S10:提供短切碳纤维；S20:对短切碳纤维施加树脂溶液，干燥后得到硬化的碳纤维材料；S30:将硬化的碳纤维材料磨碎，得到碳纤维材料颗粒；S40:将碳纤维材料颗粒、酚醛树脂和固化剂混合，并对混合物造粒，得到碳纤维树脂颗粒；S50:将碳纤维树脂颗粒加入器具模具，热压固化，成型为器具坯体；S60:基于器具胚体形成石墨化的器具胚体，并将石墨化的器具胚体加工为碳碳器具。本申请能够避免胚体加工和使用开裂问题，提升器具密度均一性和致密性。
Description
技术领域
本申请涉及碳纤维材料体技术领域，特别涉及一种碳碳器具及其制备方法。
背景技术
碳碳器具通常采用碳碳复合材料制得，相较于石墨器具，具有强度高、寿命长等特点，在热场应用中具有良好表现。传统的碳碳器具生产方法通常采用网胎碳布层叠的方式针刺板材，浸胶，然后采用固定的热压模具压制定型，形成器具胚体，进而形成碳碳器具。该方法相对简单，可批量生产，但网胎碳布之间采用针刺方式连接，纵向结合强度较差，通过模具压制时，由于受力不均，容易导致开裂，并且生产周期较长，生产成本过高；对于埚托等圆形器具，往往需要裁切方形板材，造成原材料浪费；此外，针对较厚器具，如厚度达到30mm以上的埚托等，上述方法制得的器具内部密度过低，存在大量气孔，易被腐蚀，降低使用寿命。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本申请提供一种碳碳器具及其制备方法，能够有效提升原材料利用率，提升产品整体密度的均匀性，解决加工过程中的开裂问题，同时降低生产周期。具体技术方案如下：
一方面，本申请提供一种碳碳器具的制备方法，包括以下步骤：
S10：提供短切碳纤维；
S20：对所述短切碳纤维施加树脂溶液，干燥后得到硬化的碳纤维材料；
S30：将所述硬化的碳纤维材料磨碎，得到碳纤维材料颗粒；
S40：将所述碳纤维材料颗粒、酚醛树脂和固化剂混合，并对混合物造粒，得到碳纤维树脂颗粒；
S50：将所述碳纤维树脂颗粒加入器具模具，热压固化，成型为器具坯体；
S60：基于所述器具胚体形成石墨化的器具胚体，并将所述石墨化的器具胚体加工为碳碳器具。
一种可能的实施方式中，所述S10包括：将碳纤维角料短切至预设长度，然后除胶、分散后得到所述短切纤维；
所述短切纤维满足下述特征中的至少其一：
所述预设长度为0.5-3cm；
所述短切纤维的单束纤维直径为0.1-0.3mm。
一种可能的实施方式中，所述碳纤维材料颗粒的粒径为0.5-2mm。
一种可能的实施方式中，所述S40中采用的碳纤维材料颗粒由至少两种粒径范围的碳纤维材料颗粒混合而成。
一种可能的实施方式中，所述至少两种粒径范围包括下述粒径范围：0.5-1mm，1-1.5mm和1.5-2mm；
0.5-1mm，1-1.5mm和1.5-2mm的三种粒径范围的碳纤维材料颗粒的重量比为2～4:3～6:2～4。
一种可能的实施方式中，所述S50中的热压固化条件包括：
固化压力为10-30MPa；
固化温度为140-180℃。
一种可能的实施方式中，所述S50中的热压固化条件还包括：
在热压固化的过程中提供震动，震动频率为30-60Hz。
一种可能的实施方式中，所述碳纤维材料颗粒、所述酚醛树脂和所述固化剂的重量比为6～8:1～3:0.5～2。
一种可能的实施方式中，所述S60包括：
S61：对所述器具胚体进行碳化、增密和石墨化处理，得到石墨化的器具胚体，碳化后的器具胚体的密度大于等于1.25g/cm3；
S62：将所述石墨化的器具胚体加工为成品尺寸，并进行表层致密化处理，得到所述碳碳器具。
另一方面，本申请提供一种碳碳器具，所述碳碳器具采用上述碳碳器具的制备方法制得。
另一方面，本申请提供一种上述的碳碳器具的应用，所述碳碳器具应用于热场环境中的容器或支撑件。
另一方面，本申请提供一种碳碳埚托，所述碳碳埚托采用上述的碳碳器具的制备方法制得。基于上述技术方案，本申请具有以下有益效果：
本申请的技术方案对短切碳纤维施加树脂溶液，干燥后得到硬化的碳纤维材料，采用短纤以在满足产品强度需求的同时扩大原材料获取范围，能够采用碳纤维角料生产，降低生产成本，并且对短纤进行硬化处理，能够避免纤维抱团问题，降低生产难度；然后，将所述硬化的碳纤维材料磨碎，得到碳纤维材料颗粒；将所述碳纤维材料颗粒、酚醛树脂和固化剂混合，并对混合物造粒，得到碳纤维树脂颗粒；进而将所述碳纤维树脂颗粒加入器具模具，热压固化，成型为器具坯体；基于所述器具胚体形成石墨化的器具胚体，并将所述石墨化的器具胚体加工为碳碳器具；如此，通过短纤颗粒与树脂混合造粒、压制，避免内部产生应力，同时提高产品的致密性和均一性，避免产品加工过程中的开裂问题，提升产品的力学性能和抗蚀性能，并且能够降低生产周期，提升原料利用率，进一步降低生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。图1是本申请实施例提供的一种碳碳器具的制备方法的方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
对于以下定义的术语，除非在权利要求书或本说明书中的其他地方给出一个不同的定义，否则应当应用这些定义。所有数值无论是否被明确指示，在此均被定义为由术语“约”修饰。术语“约”大体上是指一个数值范围，本领域的普通技术人员将该数值范围视为等同于所陈述的值以产生实质上相同的性质、功能、结果等。由一个低值和一个高值指示的一个数值范围被定义为包括该数值范围内包括的所有数值以及该数值范围内包括的所有子范围。需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
碳碳器具通常采用碳碳复合材料制得，相较于石墨器具，具有强度高、寿命长等特点，如由碳碳复合材料制备的碳碳坩埚强度远大于石墨坩埚，使用寿命长，而且在发生漏硅或突然断电后，也能够对热场起到保护作用。在坩埚尺寸小于20英寸时，石墨坩埚更加具有成本优势，但随着单晶硅企业技术的不断进步及降本增效的需求，石墨坩埚的成本优势也逐渐消失，逐渐被碳碳坩埚所取代。在坩埚的单晶硅制备应用中，为了拉晶的安全，通常采用一体式坩埚，但在拉晶的过程中，一体式坩埚内部放置石英坩埚，经过高温后，石英坩埚发生形变，一与碳碳坩埚粘接，很难取出，需采用重力敲击，一旦损坏，坩埚整体报废。鉴于此，相关技术采用分体式坩埚生产，埚邦报废后只需要更换埚邦，埚托可以继续使用，一方面可以确保拉晶的安全，另一方面降低报废成本。传统生产埚托的方法是采用网胎碳布层叠的方式针刺板材，然后浸胶，采用固定的热压模具压制定型，最后通过浸渍或气相沉积增密。该方法相对简单，可批量生产，但是方法也存在一定缺陷，网胎碳布之间采用针刺方式连接，纵向结合强度较差，通过模具压制时，由于受力不均，容易导致开裂；由于底托为圆形，往往需要制备成方形，通过裁切获得，造成一定的原材料浪费；相关技术也会采用气相沉积的方式制备埚托，但是由于埚托厚度较大，通常＞30mm，生产时易产生表层密度高，中心密度低的情况，内部存在大量气孔，硅气进入后对产品产生腐蚀，降低产品的使用寿命，此外，气相沉积生产周期长，生产成本过高，也限制了该方法的应用。
鉴于此，为解决上述现存问题中的至少其一，以下结合图1介绍本申请实施例提供的碳碳器具的制备方法，包括下述步骤S10-S60：
S10：提供短切碳纤维。
具体地，可以将碳纤维角料短切至预设长度，然后除胶、分散后得到所述短切纤维；上述除胶是指去除碳纤维上包裹的胶料，分散是指将整束碳纤维分散至适当的单束纤维直径，以得到分散好的短切碳纤维。可选地，可以采用机械撕碎或气流分散的方式进行短切碳纤维束的分散处理。
采用短切碳纤维分散后作为原材料，能够满足器具的强度要求，且扩大了原材料的获取范围，既可以采用碳纤维丝直接短切获得，也可以使用其他编织产品产生的碳纤维边角料短切制备，废料利用，降低生产成本。
一些实施例中，所述预设长度为0.5-3cm，即短切碳纤维的长度为0.5-3cm；可以理解地，短切纤维的长度可以为上述范围内的任意点值，示例性地，短切纤维的长度下限可以为0.5cm，0.7cm，0.9cm，1.0cm等，短切纤维的长度上限可以为3cm，2.7cm，2.5cm，2.2cm，2.0cm等。通过设置上述范围内的短切纤维，在确保器具强度的同时，有利于后续的碳纤维材料颗粒的粒度分布，提升碳碳器具的整体均一性和致密性，避免过短造成强度不足及过长导致的纤维抱团问题。
一些实施例中，单束纤维直径小于等于0.3mm，优选地，所述短切纤维的单束纤维直径为0.1-0.3mm，可以理解地，单束纤维直径可以为上述范围内的任意点值，示例性地，单束纤维直径的下限可以为0.1mm，0.12mm，0.15mm等，单束纤维直径的上限可以为0.3mm，0.28mm，0.25mm等。通过分散至上述直径范围，能够避免纤维团聚造成器具密度不均，有利于后续的纤维硬化和颗粒均匀度。
S20：对所述短切碳纤维施加树脂溶液，干燥后得到硬化的碳纤维材料。
具体地，可以将树脂溶液喷涂至短切碳纤维上，自然风干后，得到硬化的碳纤维材料。具体地，树脂溶液可以为树脂与乙醇的混合溶液，示例性地，树脂与乙醇间的重量比可以为3:1。如此，通过硬化处理，抑制纤维抱团，便于后续操作。
可选地，树脂可以包括但不限于酚醛树脂或环氧树脂等。
S30：将所述硬化的碳纤维材料磨碎，得到碳纤维材料颗粒。
将硬化后的短切碳纤维磨碎形成颗粒，能够避免碳纤维在后续的制备过程中重新团聚或扭结，降低生产难度，确保器具胚体的密度均一性。
一些实施例中，所述碳纤维材料颗粒的粒径为0.5-2mm。通过控制碳纤维材料颗粒的粒径至上述范围，能够确保产品强度需求，并有利于提升产品的致密性和均一性。
S40：将所述碳纤维材料颗粒、酚醛树脂和固化剂混合，并对混合物造粒，得到碳纤维树脂颗粒。
一些实施例中，所述碳纤维材料颗粒、所述酚醛树脂和所述固化剂的重量比为6～8:1～3:0.5～2；通过上述重量比范围，确保碳纤维颗粒的粘性、强度和结构完整性，避免树脂含量低导致粘结性差和树脂含量高导致产品强度降低，以及避免固化剂太少不利于成型，和固化剂过大造成固化速度过快，形成内部应力，进而产生内部缺陷。
可选地，酚醛树脂可以为六亚甲基四胺和多聚甲醛中的任一种或两种的混合物。
通过将碳纤维材料颗粒与酚醛树脂混合后造粒，有利于后续的模具压制和加压固化，避免在胚体内部产生应力，进而避免由于应力不均造成的模压易碎裂等问题，相较于针刺板材的制备方法，本申请能够显著提升良品率。此外，通过造粒机挤压造粒，得到的碳纤维树脂颗粒粒度大小均匀，提升紧实度，进一步提升产品致密性。
一些实施例中，所述S40中采用的碳纤维材料颗粒由至少两种粒径范围的碳纤维材料颗粒混合而成。其中较大的碳纤维材料颗粒中的短切碳纤维长度较长，能够提升胚体内部的交联性，确保器具具备足够的强度，较小的碳纤维材料颗粒中的短切碳纤维长度较短，有利于提升产品的致密性和均一性，进而同时提升产品的密度和强度。
一些实施例中，所述至少两种粒径范围包括下述粒径范围：0.5-1mm，1-1.5mm和1.5-2mm。造粒后筛分并重新配比，以保证产品强度并提高产品质量的稳定性。
一些实施例中，0.5-1mm，1-1.5mm和1.5-2mm的三种粒径范围的碳纤维材料颗粒的重量比为2～4:3～6:2～4。
如此，通过控制碳纤维材料颗粒的粒径分布和重量配比至上述范围，并充分混合，有利于器具胚体的密度和均一性达到最佳状态，以同时提升产品的密度及强度；器具胚体的密度可达1.25g/cm3以上。
S50：将所述碳纤维树脂颗粒加入器具模具，热压固化，成型为器具坯体。
具体地，器具模具与碳碳器具仿形设置，示例性地，碳碳埚托的器具模具的形状与埚托形状类似。
一些实施例中，所述S50中的热压固化条件包括：固化压力为10-30MPa；固化温度为140-180℃。在上述压力核温度条件下对碳纤维树脂颗粒进行热压，形成密度、厚度均匀，且致密性高的器具胚体，避免应力不均造成的加工开裂等缺陷。
另一些实施例中，所述S50中的热压固化条件还包括：在热压固化的过程中提供震动，震动频率为30-60Hz。具体地，将碳纤维树脂颗粒装入器具磨具，使器具模具内的碳纤维树脂颗粒在震动状态下加压固化，挤压成型，能够进一步提升胚体致密性，使器具胚体的密度达1.25g/cm3以上，缩短后期增密工艺时长，降低沉积增密成本。
S60：基于所述器具胚体形成石墨化的器具胚体，并将所述石墨化的器具胚体加工为碳碳器具。
具体地，所述S60可以包括S61-S62：
S61：对所述器具胚体进行碳化、增密和石墨化处理，得到石墨化的器具胚体；
S62：将所述石墨化的器具胚体加工为成品尺寸，并进行表层致密化处理，得到所述碳碳器具。
具体地，碳化后的器具胚体的密度大于等于1.25g/cm3，使胚体具备较高的密度和强度，能够降低增密时长需求，经增密后，密度可达1.4g/cm3以上。优选地，碳化后的器具胚体的密度在1.25-1.3g/cm3之间，提升强度的同时，避免密度过大造成增密困难，有利于提升密度均一性。
一些实施例中，碳化温度为800-1000℃。
进一步地，可以采用气相沉积方法对碳化后的器具胚体进行增密。一些实施例中，将碳化后的器具胚体置于气相沉积炉，抽真空至1-10KPa，通入氮气至微正压0.3-0.8KPa，以50-100℃/h的升温速度均匀升温至950-1050℃；然后通入碳源混合气体进行沉积，至得到密度为1.4g/cm3以上的器具胚体。一些实施例中，沉积过程中的碳源混合气体的流速为30-50m3/h，优选为30-40m3/h，沉积压强为30-50KP，沉积时长为120-200h；碳源混合气体可以包括天然气和氮气，天然气和氮气间的体积比例可以为1～5:1～3。
一些实施例中，石墨化处理的温度条件为2000-2200℃。
进一步地，将石墨化的器具胚体精加工至成品尺寸，并清理表面粉尘，以进行表面致密化处理。具体地，可以采用气相沉积进行表面致密化。
一些实施例中，表面致密化过程可以具体包括：将加工好的器具胚体装炉，抽真空至1-10KPa，通入氮气为至微正压0.3-0.8KPa，以50-100℃/h的升温速度均匀升温至1100-1200℃，通入碳源混合气体进行沉积，得到器具胚体。一些实施例中，表面致密化过程中混合气体流速为50-80m3/h，优选为60-70m3/h，压强为30-50KP，沉积时长为20-50h；碳源混合气体可以包括天然气和氮气，天然气和氮气间的体积比例可以为2～5:1。
通过碳化、增密、石墨化及表面致密化处理，进一步提升产品的致密性和抗蚀性，延长使用寿命，在单晶硅制备应用中，避免被硅气侵蚀，抗硅化性好。
综上，本申请的技术方案采用短切碳纤维作为原料，对其进行硬化、磨碎处理，并将得到的颗粒与酚醛树脂、固化剂混合，以进行挤压造粒，加压固化以模压成型为胚体，进而通过碳化、增密、石墨化和表面致密化形成碳碳器具，实现产品的整体致密性提升，降低孔隙率，避免原材料浪费的同时，防止纤维抱团造成的均一性差等问题，解决器具边缘易开裂的缺陷，增加表层致密性，提高抗蚀性能和强度。
另一方面，本申请还提供一种碳碳器具，碳碳器具采用上述的碳碳器具的制备方法制得。
另一方面，本申请提供一种上述的碳碳器具的应用，所述碳碳器具应用于热场环境中的容器或支撑件。
另一方面，本申请提供一种碳碳埚托，所述碳碳埚托采用上述的碳碳器具的制备方法制得。该碳碳埚托可以用于单晶硅生长。
以下以碳碳器具为碳碳坩埚为例，结合上述技术方案介绍本申请的实施例。
实施例1
1.将碳纤维边角料短切至长度为0.5-3cm，撕碎分散至单束纤维直径0.1-0.3mm，喷涂树脂溶液(树脂:乙醇＝3:1)，自然风干后硬化，磨碎，得到碳纤维材料颗粒，颗粒粒度大小为0.5-2mm；将碳纤维材料颗粒按粒度大小筛选为三类：0.5-1，1-1.5，1.5-2；
2.将三种碳纤维材料颗，由粒度从小到大按比例为2:5:3充分混合均匀，将混合好的碳纤维材料颗粒、热塑性酚醛树脂粉末和固化剂(六亚甲基四胺或多聚甲醛)按比例7:2:1混合，通过造粒机造粒，得到碳纤维树脂颗粒；
3.将碳纤维树脂颗粒装入埚托模具，震动结合加热加压固化，震动频率30Hz，压力为10MPa，温度为150℃，成型为埚托坯体；
4.将埚托胚体在温度850℃条件下炭化，此时产品密度为1.25g/cm3；
5.将胚体装入气相沉积炉，抽真空至5KPa，通入氮气至微正压0.5KPa，以50℃/h均匀升温至1000℃，通入沉积气体，天然气:氮气比例为2:1，混合气体流速为40m3/h，压强为30KP，沉积150h，获得产品密度为1.41g/cm3；
6.在2000℃将产品进行石墨化处理15h；
7.将产品加工成成品尺寸，清理表面粉尘；
8.将加工好的产品装炉，抽真空至5KPa，通入氮气至微正压0.5KPa，以50℃/h均匀升温至1200℃，通入沉积气体，天然气:氮气比例为3:1，混合气体流速为50m3/h，压强为30KP，沉积30h，实现表层致密化，得到碳碳埚托。
实施例2
1.将碳纤维边角料短切至长度为0.5-3cm，撕碎分散至单束纤维直径0.1-0.3mm，喷涂树脂溶液(树脂:乙醇＝3:1)，自然风干后硬化，磨碎，得到碳纤维材料颗粒，颗粒粒度大小为0.5-2mm；将碳纤维材料颗粒按粒度大小筛选为三类：0.5-1，1-1.5，1.5-2；
2.将三种碳纤维材料颗，由粒度从小到大按比例为4:3:3充分混合均匀，将混合好的碳纤维材料颗粒、热塑性酚醛树脂粉末和固化剂(六亚甲基四胺或多聚甲醛)按比例8:1.5:0.5混合，通过造粒机造粒，得到碳纤维树脂颗粒；
3.将碳纤维树脂颗粒装入埚托模具，震动结合加热加压固化，震动频率40Hz，压力为20MPa，温度为170℃，成型为埚托坯体；
4.将埚托胚体在温度850℃条件下炭化，此时产品密度为1.30g/cm3；
5.将胚体装入气相沉积炉，抽真空至5KPa，通入氮气至微正压0.5KPa，以50℃/h均匀升温至950℃，通入沉积气体，天然气:氮气比例为5:3，混合气体流速为30m3/h，压强为50KP，沉积150h，获得产品密度为1.43g/cm3；
6.在2000℃将产品进行石墨化处理15h；
7.将产品加工成成品尺寸，清理表面粉尘；
8.将加工好的产品装炉，抽真空至5KPa，通入氮气至微正压0.5KPa，以50℃/h均匀升温至1150℃，通入沉积气体，天然气:氮气比例为2:1，混合气体流速为70m3/h，压强为40KP，沉积30h，实现表层致密化，得到碳碳埚托。
实施例3
1.将碳纤维边角料短切至长度为0.5-3cm，撕碎分散至单束纤维直径0.1-0.3mm，喷涂树脂溶液(树脂:乙醇＝3:1)，自然风干后硬化，磨碎，得到碳纤维材料颗粒，颗粒粒度大小为0.5-2mm；将碳纤维材料颗粒按粒度大小筛选为三类：0.5-1，1-1.5，1.5-2；
2.将三种碳纤维材料颗，由粒度从小到大按比例为3:4:3充分混合均匀，将混合好的碳纤维材料颗粒、热塑性酚醛树脂粉末和固化剂(六亚甲基四胺或多聚甲醛)按比例6:2.5:1.5混合，通过造粒机造粒，得到碳纤维树脂颗粒；
3.将碳纤维树脂颗粒装入埚托模具，震动结合加热加压固化，震动频率60Hz，压力为30MPa，温度为140℃，成型为埚托坯体；
4.将埚托胚体在温度850℃条件下炭化，此时产品密度为1.29g/cm3；
5.将胚体装入气相沉积炉，抽真空至5KPa，通入氮气至微正压0.5KPa，以50℃/h均匀升温至1020℃，通入沉积气体，天然气:氮气比例为5:2，混合气体流速为50m3/h，压强为40KP，沉积150h，获得产品密度为1.46g/cm3；
6.在2000℃将产品进行石墨化处理15h；
7.将产品加工成成品尺寸，清理表面粉尘；
8.将加工好的产品装炉，抽真空至5KPa，通入氮气至微正压0.5KPa，以50℃/h均匀升温至1100℃，通入沉积气体，天然气:氮气比例为5:1，混合气体流速为50m3/h，压强为50KP，沉积30h，实现表层致密化，得到碳碳埚托。
实施例4
1.将碳纤维边角料短切至长度为0.5-3cm，撕碎分散至单束纤维直径0.1-0.3mm，喷涂树脂溶液(树脂:乙醇＝3:1)，自然风干后硬化，磨碎，得到碳纤维材料颗粒，颗粒粒度大小为0.5-2mm；将碳纤维材料颗粒按粒度大小筛选为三类：0.5-1，1-1.5，1.5-2；
2.将三种碳纤维材料颗，由粒度从小到大按比例为2:6:2充分混合均匀，将混合好的碳纤维材料颗粒、热塑性酚醛树脂粉末和固化剂(六亚甲基四胺或多聚甲醛)按比例7:1:2混合，通过造粒机造粒，得到碳纤维树脂颗粒；
3.将碳纤维树脂颗粒装入埚托模具，震动结合加热加压固化，震动频率50Hz，压力为20MPa，温度为180℃，成型为埚托坯体；
4.将埚托胚体在温度850℃条件下炭化，此时产品密度为1.28g/cm3；
5.将胚体装入气相沉积炉，抽真空至5KPa，通入氮气至微正压0.5KPa，以50℃/h均匀升温至1000℃，通入沉积气体，天然气:氮气比例为4:3，混合气体流速为40m3/h，压强为50KP，沉积150h，获得产品密度为1.45g/cm3；
6.在2000℃将产品进行石墨化处理15h；
7.将产品加工成成品尺寸，清理表面粉尘；
8.将加工好的产品装炉，抽真空至5KPa，通入氮气至微正压0.5KPa，以50℃/h均匀升温至1120℃，通入沉积气体，天然气:氮气比例为4:1，混合气体流速为60m3/h，压强为40KP，沉积30h，实现表层致密化，得到碳碳埚托。
实施例5
1.将碳纤维边角料短切至长度为0.5-3cm，撕碎分散至单束纤维直径0.1-0.3mm，喷涂树脂溶液(树脂:乙醇＝3:1)，自然风干后硬化，磨碎，得到碳纤维材料颗粒，颗粒粒度大小为0.5-2mm；将碳纤维材料颗粒按粒度大小筛选为三类：0.5-1，1-1.5，1.5-2；
2.将三种碳纤维材料颗，由粒度从小到大按比例为3:3:4充分混合均匀，将混合好的碳纤维材料颗粒、热塑性酚醛树脂粉末和固化剂(六亚甲基四胺或多聚甲醛)按比例8:1:1混合，通过造粒机造粒，得到碳纤维树脂颗粒；
3.将碳纤维树脂颗粒装入埚托模具，震动结合加热加压固化，震动频率60Hz，压力为30MPa，温度为160℃，成型为埚托坯体；
4.将埚托胚体在温度850℃条件下炭化，此时产品密度为1.27g/cm3；
5.将胚体装入气相沉积炉，抽真空至5KPa，通入氮气至微正压0.5KPa，以50℃/h均匀升温至1040℃，通入沉积气体，天然气:氮气比例为1:1，混合气体流速为50m3/h，压强为30KP，沉积150h，获得产品密度为1.40g/cm3；
6.在2000℃将产品进行石墨化处理15h；
7.将产品加工成成品尺寸，清理表面粉尘；
8.将加工好的产品装炉，抽真空至5KPa，通入氮气至微正压0.5KPa，以50℃/h均匀升温至1160℃，通入沉积气体，天然气:氮气比例为2:1，混合气体流速为80m3/h，压强为30KP，沉积30h，实现表层致密化，得到碳碳埚托。
通过强度测试，上述各实施例所制得的碳碳埚托具备优异的力学性能和抗蚀性能，各项性能参数参见下述表一。
表一
综上，本申请具有以下有益效果:本申请的技术方案对短切碳纤维施加树脂溶液，干燥后得到硬化的碳纤维材料，采用短纤以在满足产品强度需求的同时扩大原材料获取范围，能够采用碳纤维角料生产，降低生产成本，并且对短纤进行硬化处理，能够避免纤维抱团问题，降低生产难度；然后，将所述硬化的碳纤维材料磨碎，得到碳纤维材料颗粒；将所述碳纤维材料颗粒、酚醛树脂和固化剂混合，并对混合物造粒，得到碳纤维树脂颗粒；进而将所述碳纤维树脂颗粒加入器具模具，热压固化，成型为器具坯体；基于所述器具胚体形成石墨化的器具胚体，并将所述石墨化的器具胚体加工为碳碳器具；如此，通过短纤颗粒与树脂混合造粒、压制，避免内部产生应力，同时提高产品的致密性和均一性，避免产品加工过程中的开裂问题，提升产品的力学性能和抗蚀性能，并且能够降低生产周期，提升原料利用率，进一步降低生产成本。
本申请制备的碳碳器具的密度可达1.4g/cm3以上，压缩强度可达180KPa以上，弯曲强度168KPa以上，剪切强度15KPa以上。基于本申请的之别方法，能够将碳碳器具的生产周期缩短25％以上，原料利用率达95％以上，良品率达99.2％以上。
上述说明已经充分揭露了本申请的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本申请的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本申请的权利要求书的范围。相应地，本申请的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。
Claims (10)
1.一种碳碳器具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
S10:提供短切碳纤维；
S20:对所述短切碳纤维施加树脂溶液，干燥后得到硬化的碳纤维材料；
S30:将所述硬化的碳纤维材料磨碎，得到碳纤维材料颗粒；
S40:将所述碳纤维材料颗粒、酚醛树脂和固化剂混合，并对混合物造粒，得到碳纤维树脂颗粒；
S50:将所述碳纤维树脂颗粒加入器具模具，热压固化，成型为器具坯体；
S60:基于所述器具胚体形成石墨化的器具胚体，并将所述石墨化的器具胚体加工为碳碳器具。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S10包括:将碳纤维角料短切至预设长度，然后除胶、分散后得到所述短切纤维；
所述短切纤维满足下述特征中的至少其一:
所述预设长度为0.5-3cm；
所述短切纤维的单束纤维直径为0.1-0.3mm。
3.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述碳纤维材料颗粒的粒径为0.5-2mm。
4.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述S40中采用的碳纤维材料颗粒由至少两种粒径范围的碳纤维材料颗粒混合而成。
5.根据权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述至少两种粒径范围包括下述粒径范围:0.5-1mm，1-1.5mm和1.5-2mm；
0.5-1mm，1-1.5mm和1.5-2mm的三种粒径范围的碳纤维材料颗粒的重量比为2～4:3～6:2～4。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述S50中的热压固化条件包括:
固化压力为10-30MPa；
固化温度为140-180℃。
7.根据权利要求6中所述的制备方法，其特征在于，所述S50中的热压固化条件还包括:
在热压固化的过程中提供震动，震动频率为30-60Hz。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，
所述碳纤维材料颗粒、所述酚醛树脂和所述固化剂的重量比为6～8:1～3:0.5～2。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述S60包括:
S61:对所述器具胚体进行碳化、增密和石墨化处理，得到石墨化的器具胚体，碳化后的器具胚体的密度大于等于1.25g/cm3；
S62:将所述石墨化的器具胚体加工为成品尺寸，并进行表层致密化处理，得到所述碳碳器具。
10.一种碳碳器具，其特征在于，所述碳碳器具采用所述权利要求1-9中任一项所述的碳碳器具的制备方法制得。
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