CN1579996A - 一种制备碳纤维增强碳化硅复合材料的装置及工艺 - Google Patents

Abstract

制备碳纤维增强碳化硅复合材料的装置及工艺。该装置是由控制系统、保护釜系统、工作釜系统、安全隔离器、保护液循环系统构成。控制系统通过导线与各部件相连接；安全隔离器、工作釜系统安装在保护釜系统内；安全隔离器通过进气管道与工作釜系统相连接；保护液循环系统通过压力调节装置与保护釜相连接。预制件制备工艺为：先在碳纤维预制件上涂敷保护层材料，再涂敷强化层材料，制备预制件成品。将已制备好的预制件成品，安装在工作釜壳体内制备碳纤维增强碳化硅复合材料。该装置和工艺使制备周期缩短为几小时，提高了制备材料质量和生产效率，降低了生产成本；能够进行常压运行，防燃防爆，安全性好。该装置结构简单，工艺设计合理，操作方便。

Description

一种制备碳纤维增强碳化硅复合材料的装置及工艺

一、技术领域

本发明涉及材料加工设备及工艺领域，特别涉及到一种制备碳纤维增强碳化硅复合材料的装置及工艺。

二、背景技术

碳纤维增强陶瓷基复合材料(FRCMC)由于具有良好的物理、化学及机械性能，受到国内外材料领域研究和应用者的极大重视。该类材料的主要特点是：当FRCMC受载裂纹扩展时具有高强度、高模量的纤维通过各种消耗材料内能的途径，如裂纹偏转、纤维拔出等效应，防止材料发生灾难性的脆性断裂。

在众多的连续纤维增强陶瓷基复合材料中，碳化硅陶瓷基复合材料是较有代表性的一种，其中C_f/SiC被认为是最有前途、最新的轻质航空结构材料。C_f/SiC复合材料结合了碳纤维优异的高温性能、SiC基体的高抗氧化性能和高耐磨性，克服了C_f/C复合材料抗氧化性差、陶瓷基复合材料高温性能差和韧性低的缺点，在国外液体火箭发动机上得到应用，如航天飞机Hotol的头锥、舵面、进气道、机身等都采用C_f/SiC复合材料防热结构，使整个航天飞机结构质量仅占总重的10％；用作卫星远地点姿控、轨控发动机推力室，不仅减轻了结构质量，而且提高了燃烧室温度，增加了使用范围，提高了安全性和可靠性。C_f/SiC复合材料具有重量轻、耐热裂(大气中可耐1450℃高温)、耐磨性好、优良的导热性和高速制动性能等优良的特点，显示出其是制作飞机刹车片的优良材料。

目前制备连续增强陶瓷基复合材料的方法主要有反应烧结法、化学气相沉积法(CVD)、先驱体转化法以及化学气相渗透法(CVI)。烧结法中，纤维和陶瓷粉末不易复合成型，烧结时基体产生收缩，损伤纤维，制备工艺困难；CVI方法将纤维编成预制件，然后气相渗入预制件转化为基体，该方法成本高，周期长。

Taylorpr等人开发了热梯度强制流动CVI法、微波化学气相法、感应加热化学气相渗积法等方法，缩短了制备周期，部分解决了材料的致密度问题。

1999年陕西非金属材料工艺研究所闫联生等人先利用气相渗透法，再进行液相浸渍裂解的混合基体致密化工艺制备了碳/碳化硅复合材料，将生产工艺周期缩短为一个月。

北京理工大学学报2002年报道，朱时珍等人采用自动热化学气相渗积法制备了C_f/SiC复合材料。利用SHCVI技术制备复合材料的反应炉，炉中对预制件直接加热，产生热梯度，三氯甲基硅烷在炉中分解生成SiC沉积在预制件中。沉积时间长达20小时，抗弯强度达到382.2MPa，断裂韧性达到9.2MPa.m^1/2。

西北大学学报2002年报道，史启桢等人利用RLPD法致密化工艺设备致密碳/碳复合材料。该设备由反应容器与加热装置、冷凝排气系统、进料系统、测温系统和保护系统组成。采用感应式加热方式。容器顶部安装冷凝系统将汽化的先驱体冷却回流，不能冷凝的废气则从出口排出。为防止沉积碳发生氧化，在容器壁的一侧设计进气孔，制备过程中充入氮气保护。

目前，制备C_f/SiC复合材料工艺和装置的不足之处为生产周期长，相对密度低，材料的生产成本高，生产能力有限，难以生产形状复杂、大型的制件，不能实现工业化生产，满足不了国民经济发展的需求。最关键的问题是，液态碳氢化合物前驱体在高温下发生裂解，具有易燃、易爆等特点，安全性能极差。

三、发明内容

本发明的目的是为了克服原有方法制备C_f/SiC复合材料耗时、耗能及不安全性的不足，提供一种安全快速制备C_f/SiC材料的装置及工艺。本发明的基本构思是，设计一种快速化学液气相法制备C_f/SiC材料的装置，并提供预制件制备工艺。

快速化学液气相法制备C_f/SiC材料的装置是由控制系统、保护釜系统、工作釜系统、安全隔离器、保护液循环系统构成。控制系统通过导线与保护釜系统、工作釜系统、安全隔离器相连接；安全隔离器、工作釜系统安装在保护釜系统内；安全隔离器通过进气管道与工作釜系统相连接；保护液循环系统通过压力调节装置与保护釜相连接。

控制系统：由可控电源、电压调节器、电流调节器、微机精密控制仪、手动开关构成；微机精密控制仪上安装了微机编程多段控温程序，根据工作需要，输入一定参数，可使整个系统精确微量控制电压电流的升降。

保护釜系统：由保护釜壳体、保护釜上盖等构成，盖上嵌有防爆照明灯和光学观察窗，外壳体上部装有强制排烟道，内壳体中部装有工作釜定位夹紧装置。

安全隔离器：由隔离器壳体、隔离器上盖、多片式散热冷却器、气体冷凝吸收器、出气管道、进气管道、强制气体单向通过器、冷却介质出口、冷却介质进口构成。

工作釜系统：由工作釜壳体、工作釜上盖、上盖锁紧装置等组成，工作釜上盖安装了压力显示器、电极和保护气入口，工作釜壳体底部安装支撑装置，通过隔离器进气管道与隔离器相连接，壳体内部装有预制件夹紧装置，在一定范围内，可根据预制件的尺寸进行调节并夹紧。

保护液循环系统：由保护液压力调节装置、增压循环装置、保护液循环箱、溢流式回流装置构成。

预制件制备工艺包括保护层材料制备工艺和强化层材料制备工艺，首先在碳纤维预制件上涂敷保护层材料，然后再涂敷强化层材料。

保护层材料制备工艺为：把碳纤维材料的预制件放入含碳的有机物溶剂苯、或甲苯、或二甲苯中，使其彻底浸渍，30～60分钟后取出，然后在150～200℃的恒温条件及氮气或氩气保护气氛下进行碳化，碳化时间为16～32小时。根据保护层材料的厚度，可重复一遍或是多遍浸渍过程，使厚度控制在1μm～10μm范围内。

强化层材料制备工艺为：在有机物溶剂中加入粒度为3～6μm的碳化硅、或氮化硅、或碳化钛、或碳化硼，在超声波作用下进行均匀化，再在该液体中加入碳粉或短碳纤维使溶液粘度达到50～100Pa.s，制成强化层材料溶液；再将涂敷保护层材料的预制件放入该溶液中，在超声波作用下使其充分浸渍，最后在220℃的氮气或氩气保护气氛下进行烘干，制成预制件成品。

该装置及制备工艺，使材料制备周期缩短为几小时内，提高了制备材料质量和生产效率，降低了生产成本，而且能够进行常压运行，防燃防爆，大大提高了生产操作过程中的安全性。该装置结构简单，工艺设计合理，操作方便。

四、附图说明

图1快速化学液气相法制备C_f/SiC材料装置结构示意图；

图2安全隔离器的结构示意图；

图3预制件夹紧装置的结构示意图的主视图；

图4预制件夹紧装置的结构示意图的侧视图。

附图标记：

1控制系统，2工作釜系统，2-1工作釜壳体，2-2压力显示器，2-3电极，2-4保护气入口，2-5工作釜上盖，2-6工作釜上盖锁紧装置，2-7预制件夹紧装置，2-7-1支撑座，2-7-2接触式电极，2-7-3预制件夹头，2-7-4预制件导电支撑，2-8工作釜支撑装置，3保护釜系统，3-1保护釜壳体，3-2强制排烟道，3-3保护釜上盖，3-4防爆照明灯，3-5光学观察窗，3-6工作釜定位夹紧装置，4安全隔离器，4-1隔离器壳体，4-2多片式散热冷却器，4-3冷却介质出口，4-4多片式散热片，4-5气体冷凝吸收器，4-6隔离器上盖，4-7出气管道，4-8进气管道，4-9强制气体单向通过器，4-10冷却介质进口，5保护液循环系统，5-1溢流式回流装置，5-2保护液压力调节装置，5-3增压循环装置，5-4保护液循环箱。

五、具体实施方式

预制件制备的工艺过程：

保护层材料制备工艺过程为：选择尺寸为长度178mm，直径6mm的碳纤维棒。先将碳纤维棒放在二甲苯溶剂中浸渍约45分钟后取出，然后在氮气保护气氛和180℃恒温条件下进行24小时碳化，最后在碳纤维棒表面形成保护层材料。

强化层材料制备工艺：由二甲苯与碳化硅粉末调成粘稠溶液，用超声波进行均匀化处理，再在该液体中加入碳粉使其粘度达到50～100Pa.s，制成强化层材料溶液；然后将涂敷保护层材料的碳纤维棒放入该溶液中，在超声波作用下使其充分浸渍；最后在220℃的氮气保护气氛下进行烘干，制成预制件成品。

根据图1、图2、图3所示，装置加工运行过程为：

先打开保护液压力调节装置5-2，再打开增压循环装置5-3，使液压稳定均匀的冷却介质从保护液循环箱5-4中流出，并保证溢流式回流装置5-1稳定工作；打开保护釜上盖3-3，检查工作釜上盖2-5上电极2-3的连接，观察压力显示器2-2的数值，保证保护气入口2-4畅通。往工作釜壳体2-1内输入一定量的先驱体工作液，然后将已制备好的碳纤维预制件成品安装在工作釜壳体2-1内的预制件夹紧装置2-7上，根据预制件成品的尺寸调整支撑座2-7-1上的可移动式预制件夹头2-7-3的位置，把预制件导电支撑2-7-4放入预制件夹头2-7-3中；然后将可调节的接触式电极2-7-2插入已固定好的预制件夹头2-7-3中，使预制件与接触式电极2-7-2紧密配合；最后放入工作釜壳体2-1内的先驱体工作液中。盖上工作釜上盖2-5，拧紧工作釜上盖锁紧装置2-6，以防止釜内出现高压力冲开装置顶盖而起保护作用；再在工作釜上方卡紧工作釜定位夹紧装置3-6，起双重锁紧保护作用；盖上保护釜上盖3-3，打开氮气调节阀门，调节气体压力及流量，使保护气流量达到最佳值；然后根据工作需要，利用专用微机编程多段控温程序在微机精密控制仪上输入合适的运行参数，并且可根据需要进行自动和手动切换控制；最后检查控制系统1各仪表显示器是否正常运行，检查结果正常后，合上控制柜电闸，开始工作。

当需要进行观察时，打开保护釜上盖3-3上的防爆照明灯3-4，使保护釜壳体3-1内被照亮，这时通过观察窗3-5可看清釜内压力显示器2-2上的压力值以及保护釜壳体3-1内的运行情况。

安全隔离器4开始工作前，从冷却介质进口4-10输入一定量的具有较好冷却效果的介质；工作过程中，完全浸入在冷却介质中的多片式散热冷却器4-2，可强制冷却进入的裂解气，其中大部分裂解气凝固成液体，一少部分被气体冷凝吸收器4-5所吸收，因为其内部装有能与先驱体裂解蒸汽相适应的某种特殊液体，而少量气体通过强制排烟道3-2释放到空气中；冷却器上还装有强制气体单向通过器4-9，它保证裂解气只能向外排出，而外面的空气以及有害杂质无法通过进气管道进入工作釜壳体2-1内，阻断了外部大气环境与釜内气氛的接触，大大增强了工作的安全性。在此系统协调的运行中，可使工作用的先驱体在本装置中较为安全的工作。4个小时后，工件制备结束。待冷却后，首先打开保护釜上盖3-3，再打开工作釜上盖2-5，取出工件，并把使用过的介质从冷却介质出口4-3泄出，保证保护釜壳体2-1内不被污染。

经测试，该工件的碳化硅含量达到45vol％，直径为10mm。测定的性能指标如下：

弯曲强度：420MPa

断裂韧性：18MPa/m^1/2

密    度：1.95g/cm³

相对密度：98％

该快速化学液气相法制备C_f/SiC材料的装置及工艺，使碳化硅复合材料制备周期缩短在几个小时内，提高了制备材料质量和生产效率，降低了生产成本。而且能够进行常压运行，防燃防爆，大大提高了生产操作过程中的安全性。

Claims (9)

1、制备碳纤维增强碳化硅复合材料的装置，其特征为该装置由控制系统、保护釜系统、工作釜系统、安全隔离器、保护液循环系统构成；控制系统通过导线与保护釜系统、工作釜系统、安全隔离器相连接；安全隔离器、工作釜系统安装在保护釜系统内；安全隔离器通过进气管道与工作釜系统相连接；保护液循环系统通过压力调节装置与保护釜相连接。

2、根据权利要求1所述的一种制备碳纤维增强碳化硅复合材料的装置，其特征为所述的控制系统是由可控电源、电压调节器、电流调节器、微机精密控制仪、手动开关构成。

3、根据权利要求1所述的一种制备碳纤维增强碳化硅复合材料的装置，其特征为所述的保护釜系统是由保护釜壳体、保护釜上盖等构成，盖上嵌有防爆照明灯和光学观察窗，外壳体上部装有强制排烟道，壳体内中部装有工作釜定位夹紧装置。

4、根据权利要求1所述的一种制备碳纤维增强碳化硅复合材料的装置，其特征为所述的工作釜系统由工作釜壳体、工作釜上盖、上盖锁紧装置等组成，工作釜上盖安装了压力显示器、电极和保护气入口，工作釜壳体底部安装支撑装置，通过隔离器进气管道与隔离器相连接，壳体内部装有预制件夹紧装置

5、根据权利要求1所述的一种制备碳纤维增强碳化硅复合材料的装置，其特征为所述的安全隔离器是由隔离器壳体、多片式散热冷却器、冷却介质出口、气体冷凝吸收器、隔离器上盖、出气管道、进气管道、强制气体单向通过器、冷却介质进口构成。

6、根据权利要求1所述的一种制备碳纤维增强碳化硅复合材料的装置，其特征为所述的保护液循环系统是由保护液压力调节装置、增压循环装置、保护液循环箱、溢流式回流装置构成。

7、预制件制备工艺，其特征为：预制件制备工艺包括保护层材料制备工艺和强化层材料制备工艺，首先在碳纤维材料上涂敷保护层材料，然后再涂敷强化层材料。

8、根据权利要求7所述的保护层材料制备工艺，其特征为所述保护层材料制备工艺为：把碳纤维预制件放入含碳的有机物溶剂苯、或甲苯、或二甲苯中，使其彻底浸渍，30～60分钟后取出，然后在150～200℃的恒温条件及氮气或氩气保护气氛下进行碳化，碳化时间为16～32小时；根据保护层材料厚度，可重复一遍或是多遍浸渍过程，使厚度控制在1μm～10μm范围内。

9、根据权利要求7所述的预制件制备工艺，其特征为所述的强化层材料制备工艺为：在有机物溶剂中加入粒度为3～6μm的碳化硅、或氮化硅、或碳化钛、或碳化硼，用超声波进行均匀化，再在该液体中加入碳粉或短碳纤维使溶液粘度达到50～100Pa.s，制成强化层材料溶液；再将涂敷保护层材料的碳纤维预制件放入该溶液中，在超声波作用下使其充分浸渍，最后在220℃的氮气或氩气保护气氛下进行烘干，制成预制件成品。

Images