CN117164373B - 单晶炉用碳碳埚托、其制备方法及制备其的异形针刺机 - Google Patents
单晶炉用碳碳埚托、其制备方法及制备其的异形针刺机 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117164373B CN117164373B CN202311422556.5A CN202311422556A CN117164373B CN 117164373 B CN117164373 B CN 117164373B CN 202311422556 A CN202311422556 A CN 202311422556A CN 117164373 B CN117164373 B CN 117164373B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- pinholes
- carbon
- carbon fiber
- needling
- row
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N carbon carbon Chemical compound C.C CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 42
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 title claims abstract description 42
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title abstract description 8
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims abstract description 133
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims abstract description 133
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 133
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims abstract description 68
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 49
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 44
- 238000003892 spreading Methods 0.000 claims abstract description 27
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims abstract description 17
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000007711 solidification Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000008023 solidification Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 claims description 26
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 claims description 26
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 19
- 238000000280 densification Methods 0.000 claims description 18
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 10
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 7
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims description 6
- 238000004080 punching Methods 0.000 claims description 6
- 238000013329 compounding Methods 0.000 claims description 5
- 210000001161 mammalian embryo Anatomy 0.000 claims description 5
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 5
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 5
- 239000010426 asphalt Substances 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 claims description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 claims description 3
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 3
- 229920006300 shrink film Polymers 0.000 claims description 3
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 claims 1
- 238000001171 gas-phase infiltration Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000047 product Substances 0.000 description 51
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 13
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 11
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 10
- 238000001723 curing Methods 0.000 description 10
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 10
- 238000013461 design Methods 0.000 description 8
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 244000048199 Hibiscus mutabilis Species 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000001680 brushing effect Effects 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009730 filament winding Methods 0.000 description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011165 process development Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
- 230000001502 supplementing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Nonwoven Fabrics (AREA)
Abstract
本申请提供一种碳碳埚托及制备其的方法和设备，涉及直拉单晶技术领域，制备方法包括：在模具上平铺碳纤维复合布并缠绕碳纤维丝，在缠绕碳纤维丝的碳纤维复合布上平铺碳纤维网胎并进行针刺形成第一重复单元，在第一重复单元上平铺碳纤维复合布并缠绕碳纤维丝，在缠绕碳纤维丝的第一重复单元上平铺碳纤维网胎并进行针刺形成第二重复单元，继续重复平铺碳纤维复合布及缠绕碳纤维并进行针刺的过程直至获得具有目标尺寸的预制体，针刺过程是异形针刺机在模具旋转下实现的，异形针刺机所具有的针板上用于刺针通过的针孔排布不均匀；预制体脱模后进行气相渗透和液相浸渍、固化、碳化、石墨化处理及机械加工等工序，并最终获得碳碳埚托。
Description
技术领域
本申请涉及直拉单晶技术领域，尤其是涉及用于直拉单晶技术领域使用的碳碳埚托，涉及该碳碳埚托的制备方法，以及制备该碳碳埚托的异形针刺机。
背景技术
目前单晶炉热场正逐渐向更大尺寸发展，且由于碳碳复合材料制备的热场构件高比强度、高比模量、耐高温、热膨胀系数小、抗热冲击性能优异、安全系数高等特点，现有石墨热场构件正逐步被碳碳热场构件取代，埚托是热场中不可或缺的重要构件，主要用来承载埚帮、石英坩埚和硅料，根据单晶炉热场设计原则，更大尺寸的热场对埚托的力学性能以及抗热震性能要求更高，目前市场上有多种不同规格尺寸的碳碳埚托产品，埚托产品的制备工艺目前主要根据埚托高度，先制备成平板预制体，然后通过致密化工艺后，进行高温热处理，最终通过机加工艺实现预设规格的埚托规格尺寸。
发明内容
现有技术更多依赖于先根据成品高度预留一定机加余量后设计为平板预制体，进行致密化工艺后，高温热处理，最后通过机加工艺实现预设规格尺寸的成品，然后再进行涂层封孔工艺而成。
一般而言，在设计埚托预制体时，对于埚托高度＜40mm的埚托，可通过设计为平板预制体，通过CVI（化学气相渗透工艺）进行致密化，这种工艺路线中预制体制备简单、高效，且致密化制作周期也较短，为400~800小时，成本更低，密度保持在0.4~0.5g/cm3，然而对于大尺寸热场所需求的成品高度≥40mm以上的埚托，通过平板预制体设计，碳纤维利用率极低，一般纤维利用率仅为40%，且通过平板预制体设计制备的埚托，在机加工序中会对连续纤维铺层方向的骨架进行破坏，极大的对埚托的整体力学性能造成损伤；另一方面，纯气相CVI工艺难以均匀致密化，沉积达到设定密度需要800~1500小时才能完成；对于高度较大的埚托，通过纯气相渗透工艺，产品厚度或高度方向上密度均匀性较差，会导致后期密度增加困难，这些问题都导致产品在使用过程中出现提前开裂、分层，导致埚托产品服役寿命减低。因此，埚托产品致密化阶段所选择工艺路线及对应工艺要求，对于产品的生产周期以及最终品质具有绝对影响。对于高度较高的埚托，能够提高其碳纤维利用率降低成本的同时，还能够缩短生产周期以及提升使用寿命是一项迫切需要解决的问题。
鉴于上述问题，本申请意在改进上述现有技术中涉及的问题。本申请提供如下方案：
一种碳碳埚托制备方法，其包括如下步骤：
在模具上平铺碳纤维复合布并缠绕碳纤维丝，在缠绕碳纤维丝的碳纤维复合布上平铺碳纤维网胎并进行针刺形成第一重复单元；
在第一重复单元上平铺碳纤维复合布并缠绕碳纤维丝，在缠绕碳纤维丝的第一重复单元上平铺碳纤维网胎并进行针刺形成第二重复单元；
重复进行形成所述第二重复单元的步骤若干次以获得具有目标尺寸的预制体或者重复进行形成所述第二重复单元的步骤直到形成n个重复单元后在第n个重复单元的远离模具中心的位置平铺碳纤维复合布若干层以获得具有目标尺寸的预制体；
在获得具有目标尺寸的预制体之后脱模固化得到预制体成品；
对预制体成品分别进行化学气相渗透和液相浸渍处理得到高度致密化后胚体；以及
对所述高度致密化后胚体进行石墨化处理和机械加工并最终获得碳碳埚托；
在上述针刺形成重复单元以获得碳碳埚托的目标尺寸的过程中，所述模具处于旋转状态，
其中，在距模具中心的距离在10cm以内的区域上的针刺密度基本与在距模具中心的距离大于10cm的区域上的针刺密度一致，
其中n选自3、4、5、6、7或8。
进一步地，距离模具中心的距离在10cm以内的区域的针刺密度为5~12针/cm2；距离模具中心的距离大于10cm的区域的针刺密度为5~12针/cm2。
进一步地，模具是基于具有目标尺寸的预制体来设计的，并且模具表面依次设置有热缩膜、胶层和PVC板。
进一步地，对预制体成品进行化学气相渗透得到密度为0.9~1.45g/cm3的致密化胚体，优选在1.0~1.35g/cm3范围内的致密化胚体。
进一步地，对化学气相渗透后的致密化胚体进行液相浸渍、固化、碳化得到密度大于1.5 g/cm3的高度致密化后胚体。
进一步地，在距模具中心的距离在10cm以内的区域上的针刺密度基本与在距模具中心的距离大于10cm的区域上的针刺密度一致是通过异形针刺机实现的。
进一步地，所述异形针刺机所具有的针板上的用于刺针通过的针孔排布是不均匀的。
进一步地，优选对距模具中心的距离在10cm以内的区域进行针刺的针板对应区域的针孔数量小于对距模具中心的距离大于10cm的区域进行针刺的针板对应区域的针孔数量；进一步优选在对距模具中心的距离在10cm以内的区域进行针刺的针板对应区域上设置两排针孔，在对距模具中心的距离大于10cm的区域进行针刺的针板对应区域上设置三排针孔；
进一步优选所述两排针孔中的每一排上的针孔间距7~15mm且所述三排针孔中的每一排上的针孔间距7~15mm；
进一步优选所述两排针孔中每一排之间的距离为25~40mm且所述三排针孔中每一排之间的距离为8~14mm；
进一步优选所述两排针孔中第二排针孔与第一排针孔交错设置；所述三排针孔中第一排针孔、第二排针孔和第三排针孔均交替设置；
进一步优选所述两排针孔中第二排针孔中的针孔在第一排上的投影位于第一排针孔的两个针孔中间；
进一步优选所述三排针孔中第二排针孔和第三排针孔中的针孔在第一排上投影将第一排针孔的两个针孔之间的距离分成三等分。
进一步地，所述碳纤维复合布是由碳纤维布和网胎针刺压制复合而成。
进一步地，优选所述碳纤维布为密度为200~400g/m2，优选300~360g/m2。
进一步地，优选碳纤维布是通过经纬交错编制而成的平纹布。
进一步地，优选网胎是由长度为50~150mm，优选70~120mm的短切碳纤维经网胎机制备而成且面密度为40~150g/m2，优选50~120g/m2的网胎。
进一步地，在第一重复单元上平铺碳纤维复合布并缠绕碳纤维丝时所述碳纤维丝均通过模具的中心，且每条碳纤维丝之间的距离最大的位置为40~100mm，优选50~80mm。
进一步地，所述距模具中心的距离在10cm以内的区域的模具旋转的周速度为3~5mm/s；且距模具中心的距离大于10cm的区域的模具旋转的周速度为1.5~3 mm/s。
进一步地，优选所述模具的转动轴与异形针刺机的针板之间的角度为30~90°，优选为50~90°。
进一步地，优选进行针刺时的针刺深度为8~15mm。
进一步地，进行所述化学气相渗透的反应炉的炉温为1000~1200℃；
进一步地，反应炉内通天然气流量为600L/min~1200 L/min，氮气流量为0~200 L/min。进一步地，反应炉炉压为3500~6000pa，致密化时长为220~320h。
进一步地，所述液相浸渍使用树脂或沥青在1~3Mpa下浸渍所述胚体2~8h，在150℃~280℃下进行固化1~4h，且碳化温度为900~1200℃。
进一步地，所述石墨化处理温度为1600~2500℃。
一种制备碳碳埚托的异形针刺机，其包括针板，以所述针板上的针孔排布是不均匀的。
进一步地，优选所述针板的中心线一侧的针孔数量小于另一侧的针孔数量。
进一步地，优选在针孔数量小的一侧设置两排针孔，在针孔数量大的一侧上设置三排针孔。
进一步地，所述两排针孔中的每一排上的针孔间距7~15mm且所述三排针孔中的每一排上的针孔间距7~15mm；
优选所述两排针孔中每一排之间的距离为25~40mm且所述三排针孔中每一排之间的距离为8~14mm；
进一步优选所述两排针孔中第二排针孔与第一排针孔交错设置；所述三排针孔中第一排针孔、第二排针孔和第三排针孔均交替设置；
进一步优选所述两排针孔中第二排针孔中的针孔在第一排上的投影位于第一排针孔的两个针孔中间；
进一步优选所述三排针孔中第二排针孔和第三排针孔中的针孔在第一排上投影将第一排针孔的两个针孔之间的距离分成三等分。
一种碳碳埚托，所述埚托的高度在40mm以上，密度大于1.5 g/cm3，以及所述埚托在高度方向上的最大密度偏差值的绝对值小于等于0.1 g/cm3。
进一步地，所述碳碳埚托是通过前述制备方法或前述异形针刺机制备而成的。
发明效果
在现有技术中首先将预制体设计为平板，最后通过机加成所需规格形状，但利用本申请的方法采用异形针刺机进行设计制备预制体，从而可以实现碳纤维利用率高，机加后碳纤维连续，利用这样制备的埚托的力学性能优异，寿命长。
此外异形针刺机制备的难点主要是针刺工艺的确定，其他现有的技术只限定了针刺密度，对于针板设计以及针刺工艺没有限定，技术效果难以保证；本申请详细优化了制备方法，将距离模具中心10cm以内以及距离模具中心大于10cm的部分分别设定为两个区域，由于在距离模具中心10cm以内的区域的周速度大于距离模具中心大于10cm的区域，在对距模具中心的距离在10cm以内的区域进行针刺的针板对应区域上设置两排针孔，在对距模具中心的距离大于10cm的区域进行针刺的针板对应区域上设置三排针孔，距离模具中心10cm以内的区域针孔数量少，在距离模具中心大于10cm的区域，针孔数量多，以此保证两个区域的针刺密度一致，以此提高纤维的利用率；按照本申请的制备方法能够实现埚托预制体工艺开发，能够保证实现埚托圆心部位针刺效果。
现有技术中埚托致密化主要采用纯化学气相渗透，对于厚度＞40mm的，纯化学气相渗透难以保证高密度和均匀性；本申请的方法则是开拓性的采用气相+液相的致密化工艺，能够在短周期内保证高密度以及密度均匀性；利用本申请制备的埚托密度能够大于1.5g/cm3；致密化周期控制在24天以内；在埚托的高度方向上密度均匀性控制在±0.1 g/cm3以内，同时能够改变整体力学性能差，寿命低的问题。
附图说明
图1是预制体模具和预制体装配示例图；
图2是异形针刺机的针板示意图；
图3是埚托预制体内弧弧度＜外弧弧度示例图。
图4是埚托成品示意图。
附图标记说明
1~区域一，2~区域二，3~预制体，4~模具。
具体实施方式
本申请的以下实施方式仅用来说明实现本申请的具体实施方式，这些实施方式不能理解为是对本申请的限制。其他的任何在未背离本申请的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均视为等效的置换方式，落在本申请的保护范围之内。
下面将更详细地描述本申请的具体实施例。然而应当理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
如本文所用，就特定组分而言“基本上不含”在本文中用于表示特定组分未被有目的地配制到组合物中和/或仅作为污染物或以痕量存在。因此，由组合物的任何意外污染导致的特定组分的总量低于0.05%，优选低于0.01%。最优选的是其中特定组分的量用标准分析方法检测不到的组合物。
如在本说明书中所使用的，“一”或“一个”可以表示一个或多个。如权利要求中所使用的，当与单词“包含”一起使用时，单词“一”或“一个”可以表示一个或多于一个。
在权利要求中使用术语“或”用于表示“和/或”，除非明确指出仅指代替代方案或者替代方案是相互排斥的，尽管本公开内容支持仅指代替代方案和“和/或”的定义。如本文所用，“另一个”可以表示至少第二个或更多个。
在本申请中，“模具”是基于目标尺寸的预制体3进行设计的，本领域技术人员根据最终希望制备的碳碳埚托的尺寸来设计预制体3的尺寸，并设计相应的模具的尺寸和形状。
在本申请中，如上所述目前埚托产品的制备工艺，目前实现预设规格的埚托首先需要根据埚托高度(也可以称为厚度)制备成预制体3，其中，碳碳埚托的高度通常是指最终形成的埚托的横截面的高度或厚度，如果为不规则的形状，则通常以横截面最宽或取最大距离作为埚托的高度或厚度，在本申请中，厚度和高度可以互换使用。在本申请中，可以参见图3和图4给出了预制体3或埚拖成品中厚度或高度的示意图，即图3和图4中的H标注的即为预制体3或埚拖成品的厚度或高度，H代表的方向即为预制体3或埚拖成品的厚度或高度方向。
在本申请中，“预制体”是指在模具4上平铺碳纤维复合布并缠绕碳纤维丝，在缠绕碳纤维丝的碳纤维复合布上平铺碳纤维网胎并进行针刺形成第一重复单元；在第一重复单元上平铺碳纤维复合布并缠绕碳纤维丝，在缠绕碳纤维丝的第一重复单元上平铺碳纤维网胎并进行针刺形成第二重复单元；重复进行形成所述第二重复单元的步骤若干次以获得具有目标尺寸的预制体或者重复进行形成所述第二重复单元的步骤直到形成n个重复单元后在第n个重复单元的远离模具4中心的位置平铺碳纤维复合布若干层以获得具有目标尺寸的物体，此时预制体未从模具4脱落，为模具4与预制体成品的合称。
在本申请中，“预制体成品”是指在获得具有目标尺寸的预制体之后脱模固化得到的产物。“致密化胚体”是指对预制体成品进行化学气相渗透后得到产物。“高度致密化后胚体”是指胚体完成气相渗透并进行了液相浸渍、固化、碳化后得到的产物。“碳碳埚托”是指对高度致密化后胚体进行石墨化处理以及机械加工后得到的产物。“气相渗透”是指将碳纤维制成的胚体浸入液态浸渍剂中，通过加压使浸渍剂充分渗入到胚体的空隙中，再通过固化、碳化、石墨化等一系列过程的循环，最终得到达到密度要求的高度致密化后胚体。“碳纤维布”又称碳素纤维布、碳纤布、碳纤维编织布、碳纤维预浸布、碳纤维加固布、碳布、碳纤维织物、碳纤维带、碳纤维片材(预浸布)等。“碳纤维网胎”是一种用于保温隔热的材料，尤其是在单晶硅炉、多晶硅炉、高温气氛炉等中、高温工业冶炼炉中被广泛应用制成保温隔热毡产品。碳纤维网胎在制备时需要先对长碳纤维丝束进行扩宽处理，以形成展宽连续长碳纤维，再对展宽连续长碳纤维进行裁切得到短切碳纤维网胎，接着采用针刺或水刺的方式将短切碳纤维网胎制备成碳纤维单元层，最后将多个单元层进行叠合得到碳纤维网胎成品。“碳纤维复合布”是由碳纤维布和网胎针刺压制复合而成。
对于在本申请中使用的碳纤维布、碳纤维网胎、碳纤维复合布没有特别地限定，可以通过商购获得，也可以自行制备，只要符合上述定义即可。
在本申请中，将距离模具4中心的距离在10cm以内的区域命名为区域一1，将距离模具4中心的距离大于10cm的区域命名为区域二2。
在本申请具体实施方式中，涉及一种碳碳埚托的制备方法，其包括如下步骤：在模具4上平铺碳纤维复合布并缠绕碳纤维丝，在缠绕碳纤维丝的碳纤维复合布上平铺碳纤维网胎并进行针刺形成第一重复单元；在第一重复单元上平铺碳纤维复合布并缠绕碳纤维丝，在缠绕碳纤维丝的第一重复单元上平铺碳纤维网胎并进行针刺形成第二重复单元；重复进行形成所述第二重复单元的步骤若干次以获得具有目标尺寸的预制体3；在获得具有目标尺寸的预制体3之后脱模固化得到预制体成品；对预制体成品分别进行化学气相渗透和液相浸渍处理得到碳碳埚托高度致密化后胚体；以及对所述高度致密化后胚体进行石墨化处理和机械加工并最终获得碳碳埚托；在上述针刺形成重复单元以获得碳碳埚托的目标尺寸的过程中，所述模具4处于旋转状态，其中，在距模具4中心的距离在10cm以内的区域(即区域一1)上的针刺密度基本与在距模具4中心的距离大于10cm的区域(即区域二2)上的针刺密度一致。
在本申请具体实施方式中，涉及一种碳碳埚托的制备方法，其包括如下步骤：在模具4上平铺碳纤维复合布并缠绕碳纤维丝，在缠绕碳纤维丝的碳纤维复合布上平铺碳纤维网胎并进行针刺形成第一重复单元；在第一重复单元上平铺碳纤维复合布并缠绕碳纤维丝，在缠绕碳纤维丝的第一重复单元上平铺碳纤维网胎并进行针刺形成第二重复单元；重复进行形成所述第二重复单元的步骤直到形成n个重复单元后在第n个重复单元的远离模具4中心的位置平铺碳纤维复合布若干层以获得具有目标尺寸的预制体3；在获得具有目标尺寸的预制体3之后脱模固化得到预制体成品；对预制体成品分别进行化学气相渗透和液相浸渍处理得到碳碳埚托高度致密化后胚体；以及对所述高度致密化后胚体进行石墨化处理和机械加工并最终获得碳碳埚托；在上述针刺形成重复单元以获得碳碳埚托的目标尺寸的过程中，所述模具4处于旋转状态，其中，在距模具4中心的距离在10cm以内的区域(即区域一1)上的针刺密度基本与在距模具4中心的距离大于10cm的区域(即区域二2)上的针刺密度一致，其中n选自3、4、5、6、7或8。这种方法重点是针对埚托成品或预制品成品的外弧弧度＞内弧弧度的情况，在这种情况下铺层过程中需要采用另外规格的碳纤维复合布进行碳纤维材料的补料。
为了简单说明外弧弧度＞内弧弧度的预制体成品，本文例举如图3所示的预制体3，该预制体3的外表面是平坦的，外弧的角度约180度，预制体3的内表面是有一定的弧度的，内弧的角度约120度，本领域技术人员完全可以理解如图3所示的外弧和内弧的概念，通常面向模具4的一侧称为内弧，与其相反的一侧称为外弧。
在本申请中区域一1的针刺密度和区域二2的针刺密度基本上一致是指区域一1和区域二2的针刺密度大体上控制在相同的范围，例如区域一1的针刺密度与区域二2的针刺密度完全相等，或者区域一1的针刺密度=区域一1的针刺密度±3针/cm2，或区域一1的针刺密度=区域一1的针刺密度±2针/cm2，区域一1的针刺密度=区域一1的针刺密度±1针/cm2。本领域技术人员可以根据需求进行调整。
在本申请的具体实施方式中，区域一1内的针刺密度为5~12针/cm2，例如可以是5针/cm2、6针/cm2、7针/cm2、8针/cm2、9针/cm2、10针/cm2、11针/cm2、12针/cm2。在本申请的具体实施方式中，区域二2内的针刺密度为5~12针/cm2，例如可以是5针/cm2、6针/cm2、7针/cm2、8针/cm2、9针/cm2、10针/cm2、11针/cm2、12针/cm2。
在本申请的实施方式中，模具4表面依次设置有热缩膜、胶层以及PVC板。热缩膜、形成胶层的粘合剂以及PVC板均为本领域技术人员所知晓的材料即可。
在本申请的具体实施方式中，对预制体成品进行化学气相渗透以得到密度在0.9~1.45g/cm3范围内的致密化胚体，例如致密化胚体的密度可以是0.9 g/cm3、0.95 g/cm3、1.0g/cm3、1.05 g/cm3、1.1 g/cm3、1.15 g/cm3、1.2 g/cm3、1.25 g/cm3、1.3 g/cm3、1.35 g/cm3、1.4 g/cm3、1.45 g/cm3，其中，优选密度在1.0~1.35g/cm3范围内的胚体。在本申请的具体实施方式中，对化学气相渗透后的致密化胚体进行液相浸渍、固化、碳化得到密度为1.5~1.8g/cm3的埚托高度致密化后胚体，例如高度致密化后胚体的密度可以是1.5 g/cm3、1.51 g/cm3、1.52 g/cm3、1.53 g/cm3、1.54 g/cm3、1.55 g/cm3、1.56 g/cm3、1.57 g/cm3、1.58 g/cm3、1.59 g/cm3、1.6 g/cm3、1.61 g/cm3、1.62 g/cm3、1.63 g/cm3、1.64 g/cm3、1.65 g/cm3、1.66 g/cm3、1.67 g/cm3、1.68 g/cm3、1.69 g/cm3、1.7 g/cm3、1.71 g/cm3、1.72 g/cm3、1.73 g/cm3、1.74 g/cm3、1.75 g/cm3、1.76 g/cm3、1.77 g/cm3、1.78 g/cm3、1.79 g/cm3、1.8 g/cm3。
本领域技术人员可以理解，只要是能够满足上述本申请方法所希望获得的区域一1和区域二2的针刺密度即可，可以不用限定具体的针刺设备或针刺机。
在本申请一个实施方式中，区域一1上的针刺密度基本与区域二2上的针刺密度一致是通过异形针刺机实现的，其中，异形针刺机所具有的针板上的用于针刺的针孔排布是不均匀的。所述不均匀的一个具体的形式是对区域一1进行针刺的针板对应区域的针孔数量小于对区域二2进行针刺的针板对应区域的针孔数量。
如图2所示，给出了一个异形针刺机的针板的示意图，图2仅仅是为了用于对针板进行举例说明以明确针孔的排、排之间的距离以及针孔之间的距离，并不意在限制本申请的针板的具体的形式。图2中也示例性的标注出用于对区域一1和区域二2进行针刺的针板的位置，图2中的区域一1和区域二2表示针对区域一1和区域二2进行针刺的针板对应位置。当然这个位置也仅仅是示意性的，本领域技术人员能够基于需要针刺的区域一1和区域二2来设计针板的布置。
在本申请一个实施方式中，在对区域一1进行针刺的针板对应区域上设置有两排针孔，在对区域二2进行针刺的针板对应区域上设置有三排针孔。在本申请一个实施方式中，在对区域一1进行针刺的针板对应区域上设置有两排针孔，在对区域二2进行针刺的针板对应区域上设置有两排针孔。在本申请一个实施方式中，在对区域一1进行针刺的针板对应区域上设置有三排针孔，在对区域二2进行针刺的针板对应区域上设置有三排针孔。在本申请一个实施方式中，在对区域一1进行针刺的针板对应区域上设置有三排针孔，在对区域二2进行针刺的针板对应区域上设置有两排针孔。
在本申请一个实施方式中，即区域一1或区域二2的两排针孔中每一排之间的距离h1为25~40mm，例如可以是25mm、26 mm、27 mm、28 mm、29 mm、30 mm、31 mm、32 mm、33 mm、34mm、35 mm、36 mm、37 mm、38 mm、39 mm、40 mm；同时，三排针孔中的每一排之间的距离h2=h3=8~14mm，例如可以是8 mm、8.5 mm、9 mm、9.5 mm、10 mm、10.5 mm、11 mm、11.5 mm、12 mm、12.5 mm、13 mm、13.5 mm、14 mm。图2给出了距离h1、距离h2和h3的示意图。
在本申请的一个实施方式中，两排针孔或三排针孔中的每两个针孔之间的距离为7~15mm，针孔之间的距离如图2中d1和d2符号所显示的。具体来说可以例如为7.5mm、8mm、8.5 mm、9 mm、9.5 mm、10 mm、10.5 mm、11 mm、11.5 mm、12 mm、12.5 mm、13 mm、13.5 mm、14mm、14.5mm。
在本申请的一个实施方式中，两排针孔中第二排针孔与第一排针孔交错设置；所述三排针孔中第一排针孔、第二排针孔和第三排针孔均交替设置。在本申请的一个实施方式中，两排针孔中第二排针孔中的针孔在第一排上的投影位于第一排针孔的两个针孔中间。在本申请的一个具体实施方式中，三排针孔中第二排针孔和第三排针孔中的针孔在第一排上投影将第一排针孔的两个针孔之间的距离分成三等分。
在本申请的一个实施方式中，碳纤维复合布是由碳纤维布和网胎针刺压制复合而成。在本申请的一个实施方式中，碳纤维布是通过经纬交错编制而成的平纹布。在本申请的一个实施方式中，网胎的面密度为40~150g/m2，例如可以是40 g/m2、45 g/m2、50 g/m2、55g/m2、60 g/m2、65 g/m2、70 g/m2、75 g/m2、80 g/m2、85 g/m2、90 g/m2、95 g/m2、100 g/m2、105 g/m2、110 g/m2、115 g/m2、120 g/m2、125 g/m2、130 g/m2、135 g/m2、140 g/m2、145 g/m2、150 g/m2；其中，优选密度为50~120g/m2的网胎、例如可以是50 g/m2、55 g/m2、60 g/m2、65 g/m2、70 g/m2、75 g/m2、80 g/m2、85 g/m2、90 g/m2、95 g/m2、100 g/m2、105 g/m2、110 g/m2、115 g/m2、120 g/m2。在本申请的一个实施方式中，碳纤维布的密度为200~400g/m2，例如可以是200 g/m2、210 g/m2、220 g/m2、230 g/m2、240 g/m2、250 g/m2、260 g/m2、270 g/m2、280 g/m2、290 g/m2、300 g/m2、310 g/m2、320 g/m2、330 g/m2、340 g/m2、350 g/m2、360 g/m2、370 g/m2、380 g/m2、390 g/m2400 g/m2，其中，优选密度为300~360 g/m2的碳纤维布。在一个具体的方式中，网胎是由长度为50~150mm的短切碳纤维经网胎机制备而成的，例如可以是50mm、60 mm、70 mm、80 mm、90 mm、100 mm、110 mm、120 mm、130 mm、140 mm、150 mm的短切碳纤维经网胎机制备而成的；其中，优选70~120mm的短切碳纤维经网胎机制备而成。
在本申请的具体实施方式中，在第一重复单元上平铺碳纤维复合布并缠绕碳纤维丝时所述碳纤维丝均通过模具4的中心，且每条碳纤维丝之间的距离最大的位置为40~100mm，例如可以是40mm、45mm、50mm、55 mm、60 mm、65 mm、70 mm、75 mm、80 mm、85 mm、90mm、95 mm、100 mm；其中，优选50~80mm，例如可以是50mm、55 mm、60 mm、65 mm、70 mm、75mm、80 mm。
在本申请的具体实施方式中，区域一1的模具4旋转周速度为3~5mm/s，例如可以是3mm/s、3.1 mm/s、3.2 mm/s、3.3 mm/s、3.4 mm/s、3.5 mm/s、3.6 mm/s、3.7 mm/s、3.8 mm/s、3.9 mm/s、4.0 mm/s、4.1 mm/s、4.2 mm/s、4.3 mm/s、4.4 mm/s、4.5 mm/s、4.6 mm/s、4.7mm/s、4.8 mm/s、4.9 mm/s、5.0 mm/s。在本申请的具体实施方式中，区域二2的模具4旋转周速度为1.5~3 mm/s，例如可以是1.5 mm/s、1.6 mm/s、1.7 mm/s、1.8 mm/s、1.9 mm/s、2.0mm/s、2.1 mm/s、2.2 mm/s、2.3 mm/s、2.4 mm/s、2.5 mm/s、2.6 mm/s、2.7 mm/s、2.8 mm/s、2.9 mm/s、3.0 mm/s。
在本申请的一个具体实施方式中，模具4的转动轴与异形针刺机的针板之间的角度为30~90°，例如可以是30°、32°、35°、38°、40°、42°、45°、48°、50°、52°、55°、58°、60°、62°、65°、68°、70°、72°、75°、78°、80°、82°、85°、88°、90°。在本申请的一个具体实施方式中，模具4的转动轴与异形针刺机的针板之间的角度优选为50~90°，例如可以是50°、51°、52°、53°、54°、55°、56°、57°、58°、59°、60°、61°、62°、63°、64°、65°、66°、67°、68°、69°、70°、71°、72°、73°、74°、75°、76°、77°、78°、79°、80°、81°、82°、83°、84°、85°、86°、87°、88°、89°、90°。
在本申请的一个具体实施方式中，异形针刺机进行针刺时，针刺深度为8~15mm，例如可以是8 mm、8.5 mm、9 mm、9.5 mm、10 mm、10.5 mm、11 mm、11.5 mm、12 mm、12.5 mm、13mm、13.5 mm、14 mm、14.5 mm、15 mm。
在本申请的一个具体实施方式中，对预制体成品进行气相渗透时，本领域技术人员可以根据其需求选取气相渗透的条件，例如气相渗透反应炉的炉温为1000~1200℃，例如可以是1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃。在本申请的一个实施方式中，对预制体成品进行气相渗透时，气相渗透反应炉内天然气流量为600L/min~1200 L/min，例如可以是600 L/min、650 L/min、700 L/min、750 L/min、800 L/min、850 L/min、900 L/min、950 L/min、1000 L/min、1050 L/min、1100 L/min、1150 L/min、1200 L/min。在本申请的一个实施方式中，对预制体成品进行气相渗透时，气相渗透反应炉内氮气流量为0~200 L/min，例如可以是0 L/min、10 L/min、20 L/min、30 L/min、40 L/min、50 L/min、60 L/min、70 L/min、80 L/min、90 L/min、100 L/min、110 L/min、120 L/min、130 L/min、140 L/min、150 L/min、160 L/min、170 L/min、180 L/min、190 L/min、200 L/min。在本申请的一个实施方式中，对预制体成品进行气相渗透时，气相渗透反应炉炉压为3500~6000pa，例如可以是，3500pa、3600 pa、3700 pa、3800 pa、3900 pa、4000 pa、4100 pa、4200 pa、4300 pa、4400pa、4500 pa、4600 pa、4700 pa、4800 pa、4900 pa、5000 pa、5100 pa、5200 pa、5300 pa、5400 pa、5500 pa、5600 pa、5700 pa、5800 pa、5900 pa、6000 pa。在本申请的具体实施方式中，对预制体成品进行气相渗透时，致密化时长为220~320h，例如可以是220h、230 h、240h、250 h、260 h、270 h、280 h、290 h、300 h、310 h、320 h。
上述对于气相渗透地详细列举并不意在限制气相渗透的具体条件，本领域技术人员根据需要制备的碳碳埚托的密度可以相应地设计气相渗透的条件，并对炉压、气体流量、炉温等进行调节。
在本申请的一个实施方式中，对致密化胚体进行液相浸渍，使用树脂或沥青在1~3Mpa下浸渍致密化胚体2~8h，例如可以是1Mpa、1.5 Mpa、2 Mpa、2.5 Mpa、3 Mpa下进行浸渍，浸渍时长2h、3 h、4 h、5 h、6 h、7 h、8 h。在本申请的一个实施方式中，对液相浸渍后的致密化胚体进行固化，其中，固化时长为1~4h，例如可以是1 h、1.5 h、2 h、2.5 h、3 h、3.5h、4 h。
在本申请的一个实施方式中，固化后的致密化胚体进行碳化得到高度致密化后胚体，其中，碳化温度范围为900~1200℃，例如可以是900℃、950 ℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃。在本申请的一个实施方式中，致密化后胚体进行石墨化处理，其中，石墨化处理温度范围为1600~2500℃，例如可以是1600℃、1700℃、1800℃、1900℃、2000℃、2100℃、2200℃、2300℃、2400℃、2500℃。
在本申请另一方面涉及一种制备碳碳埚托的异形针刺机，其包括针板，所述针板上的针孔排布是不均匀的，其中，区域一1的针孔数量小于区域二2的针孔数量，进一步地，在针孔数量少的区域一1设置有两排针孔，在针孔数量多的区域二2设置有三排针孔。针对异形针刺机针板的具体描述可以参见上述第一方面中针对碳碳埚托的制备方法中可能使用到的异形针刺机针板的描述。
在本申请另一方面涉及一种碳碳埚托，其中，碳碳埚托的高度H在40mm以上，例如可以是40mm、41 mm、42 mm、43 mm、44 mm、45 mm、46 mm、47 mm、48 mm、49 mm、50 mm、51 mm、52 mm、53 mm、54 mm、55 mm、56 mm、57 mm、58 mm、59 mm、60 mm。其中为了举例说明碳碳埚托的高度H，图4示意性地画出了H指代的位置，本领域技术人员完全可以根据具体埚托的形状来确认其横截面上的最高或最厚位置，本领域技术人员可以利用常用的测量工具，例如卡尺、千分尺等测量碳碳埚托的高度或厚度。
在本申请的一个实施方式中，埚托的密度为1.5~1.8 g/cm3，例如可以是1.5 g/cm3、1.51 g/cm3、1.52 g/cm3、1.53 g/cm3、1.54 g/cm3、1.55 g/cm3、1.56 g/cm3、1.57 g/cm3、1.58 g/cm3、1.59 g/cm3、1.6 g/cm3、1.61 g/cm3、1.62 g/cm3、1.63 g/cm3、1.64 g/cm3、1.65 g/cm3、1.66 g/cm3、1.67 g/cm3、1.68 g/cm3、1.69 g/cm3、1.7 g/cm3、1.71 g/cm3、1.72 g/cm3、1.73 g/cm3、1.74 g/cm3、1.75 g/cm3、1.76 g/cm3、1.77 g/cm3、1.78 g/cm3、1.79 g/cm3、1.8 g/cm3。
在本申请中对于针对密度的测量方法没有任何限定，可以采用本领域技术人员所知晓的方法来进行，具体来说，密度的测量方法可以依据JB/T 8133.14~2013标准采用浸入法来检测密度。
在本申请的一个实施方式中，埚托在高度方向(例如图4所示的H方向)上的密度均匀性为小于等于±0.1 g/cm3，例如可以是-0.12 g/cm3、-0.11 g/cm3、-0.1 g/cm3、-0.09g/cm3、-0.08 g/cm3、-0.07 g/cm3、-0.06 g/cm3、-0.05 g/cm3、-0.04 g/cm3、-0.03 g/cm3、-0.02 g/cm3、-0.01 g/cm3、0 g/cm3、0.01 g/cm3、0.02 g/cm3、0.03 g/cm3、0.04 g/cm3、0.05g/cm3、0.06 g/cm3、0.07 g/cm3、0.08 g/cm3、0.09 g/cm3、0.1 g/cm3。其中密度均匀性是指埚托在高度方向上任意选取一点检测其密度时该任意点的测定值与在高度方向上选取若干点测量获得的埚托的密度的平均值之间的差值，如果任意选取一点的密度值小于平均值则密度均匀性数值显示为负数，如果任意选取一点的密度值大于平均值则密度均匀性数值显示为正数。在本申请说明书中，选取埚托最厚点，位于高度方向上选取2~5个点用于测定密度的平均值，并且确定其余测量点与密度平均之间的差值来作为密度均匀性的数值。所选点位的个数例如可以为2点、3点、4点、5点。
为了克服现有技术方案的不足，本申请旨在提供一种单晶炉埚托制备工艺及方法，以及由此制备的埚托为一整体结构，制备工艺及方法能够有效降低成本和提高使用寿命，并且能够缩短致密化周期。根据埚托成品形状，结合预制体制备工艺，设计制备出纤维利用率最大的异形预制体，然后进行致密化，最终通过高温石墨化、机加工艺得到一种高密度、且密度均匀性较好的埚托成品。
下面将详细描述本申请埚托通过如下步骤制备：
(S1)根据预制体3外形尺寸，设计相应模具4，如图1所示；
(S2)在模具4上贴好热缩膜，进行刷胶，然后粘贴PVC板后，将模具4固定在异形针刺机上，进行针板刺针排布；特别的，对于埚托预制体3外弧弧度＞内弧弧度的，铺层过程中需要采用另外规格的碳纤维复合布进行碳纤维材料的补料，直到达到最终目标尺寸规格，如图3所示产品类型；
(S3)将碳纤维复合布平铺在PVC(芙蓉板)上，将表面抹平后用手针刺柄将其固定住，再开始斜向绕丝，再将一层网胎平铺在上面，针刺后形成一个重复的单元；其中碳纤维复合布是由碳纤维布和网胎针刺压制复合而成；
(S4)依次按照此单元铺层后针刺至埚托预制体3的目标尺寸；
(S5)针刺完成后，将预制体3脱模并将脱模后的预制体3放入烘箱中进行固化，得到埚托预制体成品；
(S6)将S5中的埚托预制体3放入化学气相渗透炉中，先进行一个周期的致密化，得到密度为1.0~1.35g/cm3的致密化胚体，然后进行液相浸渍、固化、碳化，经过1~3周期后，最终得到密度大于1.5 g/cm3的埚托高度致密化后胚体；
(S7)将S6中制备的埚托高度致密化后胚体放入高温炉中高温石墨化处理；
(S8)将S7中高温石墨化后所得到的按照成品所要求的形状和尺寸加工出最终成品；
进一步地，所述步骤(S3)中绕丝间隔50~80mm，并且通过埚托中心区域进行叠加而成；
进一步地，所述步骤(S3)中需要根据产品圆弧段角度，保持针刺深度8~15mm，调整模具4转动轴于平台角度在50~90°之间，分别针刺一周，直至埚托直径方向针刺结束，为一个单元层平面针刺结束；
进一步地，所述步骤(S3)中针刺频率为1~3针/s，区域一1内模具4转速为3~5mm/s，采用两排针板针刺；区域二2内模具4转速为1.5~3 mm/s，采用三排针板针刺；
进一步地，所述步骤(S4)中，对于埚托预制体3外弧弧度＞内弧弧度的，从第5层开始，每一个单元层针刺结束后，采用碳纤维复合布进行补料一层，直至达到要求的弧度与高度后，可不再补料；
进一步地，所述步骤(S5)中，将预制体3沿内凹免反向放置于石墨模具4中，于200~300℃下在烘箱中固化2~5h。
进一步地，所述步骤(S6)中，化学气相渗透炉温为1000~1200℃，内室通天然气流量为600L/min~1200 L/min，氮气流量为0~200 L/min；炉压为3500~6000pa，致密化时长为220~320h；
进一步地，所述步骤(S6)中，液相浸渍使用树脂/沥青在1~3Mpa下浸渍2~8h，固化温度为150℃~280℃，时间为1~4h，碳化温度为900~1200℃。
进一步地，所述步骤(S7)中，石墨化处理温度为1600~2500℃；
这里仅以图3和图4预制体3尺寸为例，结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于此规格产品。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，以及同类型产品或工艺方法，都应当视为属于本发明的保护范围。
实施例
本申请对试验中所用到的材料以及试验方法进行一般性和/或具体的描述，在下面的实施例中，如果无其他特别的说明，%表示wt%，即重量百分数。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
(S1)根据预制体3外形尺寸，设计相应模具4，如图1所示；
(S2)在模具4上贴好热缩膜，进行刷胶，然后粘贴PVC板后，将模具4固定在异形针刺机上，本实施例中针刺机采用区域一1两排针孔，区域二2三排针孔进行针板刺针排布，区域一1与区域二2的针刺密度均为8针/cm2，其中，两排针孔的相邻排之间的间距h1=30 mm，同一排之间的针孔间距为d1=10 mm；三排针孔的相邻排之间的间距h2=8mm，同一排之间的针孔间距d2=d3=7mm；
(S3)将碳纤维复合布平铺在PVC(芙蓉板)上，将表面抹平后用手针刺柄将其固定住，再开始斜向绕丝，再将一层网胎平铺在上面，针刺后形成一个重复的单元；其中碳纤维复合布是由碳纤维布和网胎针刺压制复合而成；
(S4)依次按照此单元铺层后针刺至埚托预制体3的目标尺寸；
(S5)针刺完成后，将预制体3脱模并将脱模后的预制体3放入烘箱中固化后，得到埚托预制体成品；
(S6)将S5中的埚托预制体3放入化学气相渗透炉中，先进行一个周期的致密化，得到密度为1.0~1.35g/cm3的致密化胚体，然后进行液相浸渍、固化、碳化持续3周期；
(S7)将S6中制备的埚托高度致密化后胚体放入高温炉中高温石墨化处理；
(S8)将S7中高温石墨化后所得到的按照成品所要求的形状和尺寸加工出最终成品；最终成品碳碳埚托的密度大于1.5 g/cm3，密度均匀性为±0.1cm/cm3，整体加工过程中纤维利用率大于60%。在本实施例中纤维利用率是按照碳碳埚托的体积占预制体3的体积的比值。
实施例2
与实施例1相比不同之处在于，（S2）中区域二2的针刺密度均为5针/cm2，区域一1中两排针孔的相邻排之间的间距h1=30mm；三排针孔的相邻排之间的间距h2=14 mm，同一排之间的针孔间距d2=d3=15mm；最终成品碳碳埚托的密度大于1.5 g/cm3，密度均匀性为±0.1cm/cm3，整体加工过程中纤维利用率大于60%。
实施例3
与实施例1相比不同之处在于，本实施例中针刺机采用区域一1与区域二2均为两排针孔进行针板刺针排布，（S2）中区域一1的针刺密度为12针/cm2，区域二2的针刺密度均为14针/cm2，区域一1与中两排针孔的相邻排之间的间距h1=25 mm，同一排之间的针孔间距为d1=7 mm；区域二2中两排针孔的相邻排之间的间距h2=25 mm，同一排之间的针孔间距d2=20mm；最终成品碳碳埚托的密度大于1.5 g/cm3，密度均匀性为±0.1cm/cm3，整体加工过程中纤维利用率大于60%。
实施例4
与实施例1相比不同之处在于，本实施例中针刺机采用区域一1与区域二2均为三排针孔进行针板刺针排布，（S2）中区域一1的针刺密度为14针/cm2，区域二的针刺密度均为12针/cm2，区域一1与中三排针孔的相邻排之间的间距h1=8 mm，同一排之间的针孔间距为d1=7 mm；区域二2中三排针孔的相邻排之间的间距h2=8 mm，同一排之间的针孔间距d2=15mm；最终成品碳碳埚托的密度大于1.5 g/cm3，密度均匀性为±0.1cm/cm3，整体加工过程中纤维利用率大于60%。
实施例5
与实施例1不同之处在于，本实施例步骤（S4）中，对于埚托预制体3，从第5层开始，每一个单元层针刺结束后，采用碳纤维复合布进行补料一层，直至达到埚托预制体3的目标尺寸及弧度。
对比例1
与实施例1相比不同之处在于，本对比例中针刺机采用区域一1与区域二2均为两排针孔进行针板刺针排布，（S2）中区域一1的针刺密度为17针/cm2，区域二2的针刺密度均为13针/cm2，区域一1与中三排针孔的相邻排之间的间距h1=25 mm，同一排之间的针孔间距为d1=7 mm；区域二2中三排针孔的相邻排之间的间距h2=25 mm，同一排之间的针孔间距d2=7mm；最终成品碳碳埚托的密度大于1.5 g/cm3，密度均匀性为±0.1cm/cm3，整体加工过程中纤维利用率大于60%。
对比例2
与实施例1相比不同之处在于，本对比例中针刺机采用区域一1与区域二2均为三排针孔进行针板刺针排布，（S2）中区域一1的针刺密度为19针/cm2，区域二2的针刺密度均为12针/cm2，区域一1中三排针孔的相邻排之间的间距h1=8 mm，同一排之间的针孔间距为d1=7 mm；区域二2中三排针孔的相邻排之间的间距h2=8 mm，同一排之间的针孔间距d2=7mm；最终成品碳碳埚托的密度大于1.5 g/cm3，密度均匀性为±0.1cm/cm3，整体加工过程中纤维利用率大于60%。
对比例3
与实施例1相比不同之处在于，本对比例中不对气相渗透后的致密化胚体进行液相浸渍、固化、碳化等工序，最终成品碳碳埚托的密度在1.2~1.3 g/cm3，密度均匀性大于0.1cm/cm3，整体加工过程中纤维利用率大于60%。
将上述实施例与对比例实验条件及最终产物结果的数值综合为如下表1。
表1
。
埚托为圆形，针刺过程中是通过旋转模具4进行针刺的，针刺密度主要是由针板设计、针刺频率、模具4转速决定来实现，又由于区域一1周速度大于区域二2周速度，因此需要区域二2针孔数量多于区域一1针孔数量，以平衡针刺密度；
综合上述加工特点并结合实施例1~4及对比例1~2可以得出，设置在距离模具4中心的距离10cm以内的区域，即区域一1内的针孔数量少，距离模具4中心的距离大于10cm的区域，即区域二2内的针孔数量多时，区域一1与区域二2针刺密度一致，此时纤维利用率最高，为大于60%。
同时，结合实施例1~4、对比例1~2以及对比例3可以得出，进行液相浸渍、固化以及碳化工序，将大大提升碳碳埚托的密度及碳碳埚托密度均匀性。
尽管以上结合对本申请的实施方案进行了描述，但本申请并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本申请权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本申请保护之列。
Claims (14)
1.一种碳碳埚托的制备方法，其包括如下步骤：
在模具上平铺碳纤维复合布并缠绕碳纤维丝，在缠绕碳纤维丝的碳纤维复合布上平铺碳纤维网胎并进行针刺形成第一重复单元；
在第一重复单元上平铺碳纤维复合布并缠绕碳纤维丝，在缠绕碳纤维丝的第一重复单元上平铺碳纤维网胎并进行针刺形成第二重复单元；
重复进行形成所述第二重复单元的步骤若干次以获得具有目标尺寸的预制体或者重复进行形成所述第二重复单元的步骤直到形成n个重复单元后在第n个重复单元的远离模具中心的位置平铺碳纤维复合布若干层以获得具有目标尺寸的预制体；
在获得具有目标尺寸的预制体之后脱模固化得到预制体成品；
对预制体成品进行化学气相渗透得到致密化胚体；以及
对致密化胚体进行液相浸渍、固化、碳化得到高度致密化后胚体，高度致密化后胚体的致密化程度大于致密化胚体；以及
对所述高度致密化后胚体进行石墨化处理和机械加工并最终获得碳碳埚托；
在上述针刺形成重复单元以获得碳碳埚托的目标尺寸的过程中，所述模具处于旋转状态，
其中，在距模具中心的距离在10cm以内的区域上的针刺密度与在距模具中心的距离大于10cm的区域上的针刺密度一致，
其中n选自3、4、5、6、7或8，
在距模具中心的距离在10cm以内的区域上的针刺密度与在距模具中心的距离大于10cm的区域上的针刺密度一致是通过异形针刺机实现的，其中，异形针刺机所具有的针板上的用于刺针通过的针孔排布是不均匀的；
所述针板的中心线一侧的针孔数量小于另一侧的针孔数量；
在针孔数量小的一侧设置两排针孔，在针孔数量大的一侧上设置三排针孔。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，
距离模具中心的距离在10cm以内的区域的针刺密度为5~12针/cm2；
距离模具中心的距离大于10cm的区域的针刺密度为5~12针/cm2。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，
所述模具是基于具有目标尺寸的预制体来设计的，并且模具表面依次设置有热缩膜、胶层和PVC板。
4. 根据权利要求1或2中任一项所述的制备方法，其中，
对预制体成品进行化学气相渗透得到密度为0.9~1.45g/cm3的致密化胚体；以及
对化学气相渗透后的致密化胚体进行液相浸渍、固化、碳化得到密度大于1.5 g/cm3的高度致密化后胚体。
5. 根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，
对距模具中心的距离在10cm以内的区域进行针刺的针板对应区域的针孔数量小于对距模具中心的距离大于10cm的区域进行针刺的针板对应区域的针孔数量；或者
在对距模具中心的距离在10cm以内的区域进行针刺的针板对应区域上设置两排针孔，在对距模具中心的距离大于10cm的区域进行针刺的针板对应区域上设置三排针孔；或者
所述两排针孔中的每一排上的针孔间距7~15mm且所述三排针孔中的每一排上的针孔间距7~15mm；或者
所述两排针孔中每一排之间的距离为25~40mm且所述三排针孔中每一排之间的距离为8~14mm；或者
所述两排针孔中第二排针孔与第一排针孔交错设置；所述三排针孔中第一排针孔、第二排针孔和第三排针孔均交替设置；或者
所述两排针孔中第二排针孔中的针孔在第一排上的投影位于第一排针孔的两个针孔中间；或者
所述三排针孔中第二排针孔和第三排针孔中的针孔在第一排上投影将第一排针孔的两个针孔之间的距离分成三等分。
6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，
所述碳纤维复合布是由碳纤维布和网胎针刺压制复合而成；
所述碳纤维布为密度为200~400g/m2；碳纤维布是通过经纬交错编制而成的平纹布；网胎是由长度为50~150mm的短切碳纤维经网胎机制备而成且面密度为40~150g/m2的网胎。
7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，
在第一重复单元上平铺碳纤维复合布并缠绕碳纤维丝时所述碳纤维丝均通过模具的中心，且每条碳纤维丝之间的距离为40~100mm。
8. 根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，
所述距模具中心的距离在10cm以内的区域的模具旋转的周速度为3~5mm/s；且距模具中心的距离大于10cm的区域的模具旋转的周速度为1.5~3 mm/s；或者
所述模具的转动轴与异形针刺机的针板之间的角度为30~90°，进行针刺时的针刺深度为8~15mm。
9.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，
所述石墨化处理温度为1600~2500℃。
10. 根据权利要求4所述的制备方法，其中，
进行所述化学气相渗透的反应炉的炉温为1000~1200℃；或者
反应炉内通天然气流量为600L/min~1200 L/min，氮气流量为0~200 L/min；或者
反应炉炉压为3500~6000pa，致密化时长为220~320h。
11.根据权利要求4所述的制备方法，其中，
所述液相浸渍使用树脂或沥青在1~3Mpa下浸渍所述致密化胚体2~8h，在150℃~280℃下进行固化1~4h，且碳化温度为900~1200℃。
12.一种制备权利要求1~11中任一项所述的碳碳埚托的异形针刺机，其包括针板，
所述针板上的针孔排布是不均匀的；
所述针板的中心线一侧的针孔数量小于另一侧的针孔数量；
在针孔数量小的一侧设置两排针孔，在针孔数量大的一侧上设置三排针孔；
所述两排针孔中的每一排上的针孔间距7~15mm且所述三排针孔中的每一排上的针孔间距7~15mm；或者
所述两排针孔中每一排之间的距离为25~40mm且所述三排针孔中每一排之间的距离为8~14mm；或者
所述两排针孔中第二排针孔与第一排针孔交错设置；所述三排针孔中第一排针孔、第二排针孔和第三排针孔均交替设置；或者
所述两排针孔中第二排针孔中的针孔在第一排上的投影位于第一排针孔的两个针孔中间；或者
所述三排针孔中第二排针孔和第三排针孔中的针孔在第一排上投影将第一排针孔的两个针孔之间的距离分成三等分。
13.一种通过权利要求1~11中任一项所述的方法制备的或者利用权利要求12所述的异形针刺机制备的碳碳埚托。
14. 一种碳碳埚托，其中，所述碳碳埚托的高度在40mm以上，密度大于1.4 g/cm3，以及所述碳碳埚托在高度方向上的最大密度偏差值的绝对值小于等于0.1 g/cm3，其是通过权利要求1~11中任一项所述的方法制备的或者利用权利要求12所述的异形针刺机制备的。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311422556.5A CN117164373B (zh) | 2023-10-31 | 2023-10-31 | 单晶炉用碳碳埚托、其制备方法及制备其的异形针刺机 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311422556.5A CN117164373B (zh) | 2023-10-31 | 2023-10-31 | 单晶炉用碳碳埚托、其制备方法及制备其的异形针刺机 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117164373A CN117164373A (zh) | 2023-12-05 |
| CN117164373B true CN117164373B (zh) | 2024-03-29 |
Family
ID=88943469
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311422556.5A Active CN117164373B (zh) | 2023-10-31 | 2023-10-31 | 单晶炉用碳碳埚托、其制备方法及制备其的异形针刺机 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117164373B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117863659A (zh) * | 2024-01-19 | 2024-04-12 | 北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 | 一种针刺回转预制体铺缠刺一体化成形方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111825473A (zh) * | 2020-07-29 | 2020-10-27 | 湖南博云新材料股份有限公司 | 一种碳/碳复合材料的制备方法 |
| CN113149685A (zh) * | 2021-04-29 | 2021-07-23 | 上海骐杰碳素材料有限公司 | 碳碳或碳陶复合材料网胎预制体及其制品以及制备方法 |
| CN114197060A (zh) * | 2022-01-07 | 2022-03-18 | 上海康碳复合材料科技有限公司 | 一种碳碳复合材料整体埚托、直筒埚邦及其制备方法 |
| CN115160010A (zh) * | 2022-07-18 | 2022-10-11 | 浙江星辉新材料科技有限公司 | 一种模压针刺碳碳埚托的制作方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060177663A1 (en) * | 2005-02-08 | 2006-08-10 | Honeywell International Inc. | Carbon-carbon composite article manufactured with needled fibers |
| GB0712820D0 (en) * | 2007-07-03 | 2007-08-08 | Dunlop Aerospace Ltd | Carbon-carbon composite |
-
2023
- 2023-10-31 CN CN202311422556.5A patent/CN117164373B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111825473A (zh) * | 2020-07-29 | 2020-10-27 | 湖南博云新材料股份有限公司 | 一种碳/碳复合材料的制备方法 |
| CN113149685A (zh) * | 2021-04-29 | 2021-07-23 | 上海骐杰碳素材料有限公司 | 碳碳或碳陶复合材料网胎预制体及其制品以及制备方法 |
| CN114197060A (zh) * | 2022-01-07 | 2022-03-18 | 上海康碳复合材料科技有限公司 | 一种碳碳复合材料整体埚托、直筒埚邦及其制备方法 |
| CN115160010A (zh) * | 2022-07-18 | 2022-10-11 | 浙江星辉新材料科技有限公司 | 一种模压针刺碳碳埚托的制作方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117164373A (zh) | 2023-12-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN117164373B (zh) | 单晶炉用碳碳埚托、其制备方法及制备其的异形针刺机 | |
| CN108794040B (zh) | 一种基于熔融渗硅工艺的复合材料、碳/碳多孔体及其制备方法 | |
| JPH0244270B2 (zh) | ||
| CN108191448A (zh) | 一种缠绕工艺制备碳/碳筒体的方法 | |
| CN109056186B (zh) | 一种低密度多角度编制碳纤维硬质保温筒的制备方法 | |
| CN113186598A (zh) | 基于缠绕工艺和针刺工艺制备的碳/碳复合材料坩埚 | |
| CN113277867A (zh) | 一种碳/碳/碳化硅复合材料坩埚的制备方法 | |
| CN113149685A (zh) | 碳碳或碳陶复合材料网胎预制体及其制品以及制备方法 | |
| CN111848203A (zh) | 一种碳纤维针刺预制体净尺寸成型的方法及模具 | |
| CN115448744B (zh) | 一种碳/碳喉衬的制备方法 | |
| WO2015063178A1 (en) | Method of manufacturing ceramic matrix composite objects | |
| JP4700218B2 (ja) | 単結晶引き上げ用炭素繊維強化炭素複合材料製ルツボ | |
| CN113149684A (zh) | 碳碳或碳陶复合材料卷绕预制体及其制品以及制备方法 | |
| CN114920574A (zh) | 一种碳纤维三维编织制备大尺寸碳碳坩埚的方法 | |
| CN113755942B (zh) | 一种支撑隔热一体化保温筒的制备方法 | |
| CN113121253A (zh) | 一种超高温C/SiHfBCN陶瓷基复合材料及其制备方法 | |
| CN115504801B (zh) | 一种碳/碳复合材料刹车盘的制备方法 | |
| CN115259882A (zh) | 一种复材纤维丝缠绕碳碳复合材料的生产工艺 | |
| CN114411242B (zh) | 石英纤维增强炭-二氧化硅复合材料导流筒及其制备方法 | |
| CN115464940A (zh) | 大型舱壳低密度梯度复合材料lrtm近净成型技术及方法 | |
| CN115231940A (zh) | 一种碳碳保温筒生产工艺 | |
| CN117265641B (zh) | 一种编织坩埚预制体及制作方法 | |
| KR101603835B1 (ko) | 고온고압용 탄소복합소재 몰드 제조방법 | |
| CN113373505B (zh) | 一种单晶炉热场保温筒及其制备方法 | |
| CN113149682A (zh) | 碳碳或碳陶复合材料缠绕预制体及其制品以及制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |