CN206457419U - 一种碳碳复合材料加工设备及系统 - Google Patents

Abstract

一种碳碳复合材料加工设备及系统，其涉及碳化和石墨化加工设备领域。碳碳复合材料加工设备通过设置相互密封连接的低温碳化装置和高温石墨化装置，使得碳碳复合材料的碳化和石墨化过程能够连续化的一次性完成，缩短了碳碳复合材料的整体加工周期，故包括上述碳碳复合材料加工设备的碳碳复合材料加工系统整体上提高了加工效率，其可主要应用于异形碳碳复合材料的批量加工。

Description

一种碳碳复合材料加工设备及系统

技术领域

本实用新型涉及碳化和石墨化加工设备领域，具体而言，涉及一种碳碳复合材料加工设备及系统。

背景技术

碳碳复合材料是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料，其具有高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、摩擦性能好，以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等诸多优点，现已广泛应用于航空航天、汽车工业、医学等领域。

然而，在碳碳复合材料的加工过程中，一般需要经过多次的渗碳预浸、碳化、石墨化加工过程，这样使得整个的加工周期变得很长，很不利于异形碳碳复合材料进行快速批量的生产，也不利于企业实现利益的最大化。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种碳碳复合材料加工设备，其能够缩短碳碳复合材料加工过程中碳化和石墨化的加工周期，实现一次性完成碳碳复合材料的碳化和石墨化加工过程。

本实用新型的另一目在于提供一种碳碳复合材料加工系统，其能够提高碳碳复合材料的加工效率，尤其是针对异形碳碳复合材料的加工，可实现快速批量的生产，有利于企业实现利益最大化。

本实用新型的实施例是这样实现的：

一种碳碳复合材料加工设备，其包括低温碳化装置和高温石墨化装置，低温碳化装置和高温石墨化装置密封连接，低温碳化装置内部设置有低温碳化室，高温石墨化装置内部设置有高温石墨化室，低温碳化室和高温石墨化室相连通，低温碳化室远离高温石墨化室的一端设置有上料装置，高温石墨化室远离低温碳化室的一端设置有出料装置。

在本实用新型较佳的实施例中，上述碳碳复合材料加工设备还包括支撑架，低温碳化装置和高温石墨化装置可拆卸连接于支撑架。

在本实用新型较佳的实施例中，上述设备还包括废气回收装置，废气回收装置连通于低温碳化室和高温石墨化室。

在本实用新型较佳的实施例中，上述废气回收装置包括废气燃烧室，废气燃烧室连通于低温碳化室和高温石墨化室。

在本实用新型较佳的实施例中，上述高温石墨化装置的内壁设置有石墨加热管，高温石墨化装置的外层设置有用于控制石墨加热管发热的感应线圈，石墨加热管和感应线圈之间设置有保温层。

在本实用新型较佳的实施例中，上述感应线圈为空心铜管绕制的感应线圈，空心铜管内通循环冷却水。

在本实用新型较佳的实施例中，上述保温层为石墨毡或氧化铝材料制成的保温层。

在本实用新型较佳的实施例中，上述低温碳化装置设置有抽真空装置，抽真空装置连通于低温碳化室。

在本实用新型较佳的实施例中，上述高温石墨化装置设置有惰性气体输送装置，惰性气体输送装置连通于高温石墨化室。

一种碳碳复合材料加工系统，其包括上述的碳碳复合材料加工设备。

本实用新型实施例的有益效果是：通过设置相互密封连接的低温碳化装置和高温石墨化装置，使得碳碳复合材料的碳化和石墨化过程能够一次性完成，缩短了碳碳复合材料的整体加工周期，故包括上述碳碳复合材料加工设备的碳碳复合材料加工系统整体上加工效率高，其可主要应用于异形碳碳复合材料结构件的批量加工。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1为本实用新型第一实施例提供的碳碳复合材料加工设备的平面结构示意图；

图2为本实用新型第二实施例提供的碳碳复合材料加工设备的平面结构示意图；

图3为本实用新型第三实施例提供的碳碳复合材料加工设备的平面结构示意图；

图4为本实用新型第四实施例提供的碳碳复合材料加工设备的平面结构示意图。

图标：100-碳碳复合材料加工设备；200-碳碳复合材料加工设备；300-碳碳复合材料加工设备；400-碳碳复合材料加工设备；120-低温碳化装置；121-入口外门；122-低温碳化室；123-上料置换仓；124-上料装置；125-入口内门；127-碳化保温层；128-电阻丝加热层；130-废气回收装置；132-废气燃烧室；140-高温石墨化装置；142-高温石墨化室；144-石墨加热管；145-保温层；146-感应线圈；150-出料装置；152-出料置换仓；154-出料外门；210-支撑架；346-感应线圈；360-抽真空装置；480-惰性气体输送装置。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

第一实施例

请参照图1，本实施例提供一种碳碳复合材料加工设备100，其主要针对异形的碳碳复合材料结构件进行加工，其主要包括低温碳化装置120和高温石墨化装置140，其中，低温碳化装置120是对碳纤维基体和沥青构成的碳碳复合材料型材进行碳化的主要装置，其可去除基体材料和增强体材料中所含的氢和氧；高温石墨化装置140是对经过碳化处理得到的碳碳复合型材进行进一步的石墨化加工处理，以此使得所得的碳碳复合材料的拉伸模量更高。

进一步地，低温碳化装置120和高温石墨化装置140密封连接，以使得物料能在两个装置里边进行连续化加工。其中，低温碳化装置120内部设置有低温碳化室122，该低温碳化室122是用来容纳物料并对物料进行碳化的主要腔室；高温石墨化装置140内部设置有高温石墨化室142，其是对物料进行石墨化的主要腔室。

进一步地，低温碳化室122远离高温石墨化室142的一端设置有上料装置124。上料装置124主要负责将碳碳复合材料输入到低温碳化室122内，其由内而外依次包括入口外门121、上料置换仓123和入口内门125。需要说明的是，入口外门121和入口内门125均与上料置换仓123为密封连接。

进一步地，在使用上料装置124时，首先打开入口外门121，将型材碳碳复合预备材料以步进式推舟的方式输送给上料置换仓123；其次，关闭入口外门121，并在物料停留在上料置换仓123的时间内(此时入口内门125也关闭)，将上料置换仓123内的环境置换成和低温碳化室122内环境气氛相同；最后，使用提升装置将入口内门125打开，并将上料置换仓123内的物料输送到低温碳化室122内，关闭入口内门125，对物料进行低温碳化。需要说明的是，上述上料装置124为连续的进行，故采用步进式推舟的方式连续进行上料，使得物料的进给有序、高效，提高了碳碳复合材料加工设备100的物料输送效率。

需要说明的是，物料在低温碳化室122内进行碳化处理时，由于所需温度在800-1000℃，故采用电加热的方式即可实现，因此低温碳化装置120从外到内除过外壳以外，还依次包括碳化保温层127和电阻丝加热层128。在低温碳化装置120正常工作时，电阻丝加热层128通电发热，提升低温碳化室122内的温度到目标温度，碳化保温层127使低温碳化室122内的能量不扩散到外界，保持其内部温度的相对恒定。

进一步地，当低温碳化室122内的物料碳化后，在上料装置124的作用下，物料以步进式推舟的方式继续向高温石墨化室142行进。

进一步地，碳化后的物料进入到高温石墨化室142内后进行石墨化的温度为2600-2800℃，故本实施例采用感应加热的方式进行。具体地，高温石墨化装置140的内壁设置有石墨加热管144，外层设置有用于控制石墨加热管144发热的感应线圈146，石墨加热管144和感应线圈146之间设置有保温层145。需要说明的是，使用感应线圈146对石墨加热管144进行加热可以更好满足石墨化过程的高温条件，而且温度调控灵活，符合碳碳复合材料加工设备100连续化加工的要求。

另外，需要特别说明的是，本实施例的高温石墨化室142和低温碳化室122相互连通，加热系统相互独立，其既能保证各自温区相应的温度需要，又能将高温区中多余的热量传递给低温区进行利用，故整体上提高了能量的利用率，同时也实现了型材碳碳材料的连续化加工。

进一步地，在高温石墨化装置140进行正常工作时，感应线圈146通交变电流，位于感应线圈146磁场内部的石墨加热管144开始发热，对高温石墨化室142内的物料进行加热，物料在2600-2800℃的高温下逐步石墨化，形成石墨化的碳纤维，其既保持了原来的强度，有具有很强的韧性，从而使得需要制备的碳碳复合材料综合力学性能得到提高。

进一步地，由于高温石墨化室142内的工作温度高达2600-2800℃，故为了将要室内能量的损耗和保持室内温度的相对恒定，本实施例提供的保温层145使用隔热性能极佳的石墨毡或氧化铝材料制成。需要说明的是，在其它实施例中，保温层145并不仅限于本实施例提供的石墨毡或氧化铝中的一种材料制成，也可以是两者混合制成的保温层145。

进一步优选地，高温石墨化室142远离低温碳化室122的一端设置有出料装置150。出料装置150包括沿物料传输方向设置的出料置换仓152和出料外门154。需要说明的是，高温石墨化室142内的物料在石墨化处理结束后，进入到出料置换仓152内，最终通过出料外门154进行出料。

本实施例提供的碳碳复合材料加工设备100还提供了废气回收装置130，废气回收装置130连通于低温碳化室122和高温石墨化室142。需要说明的是，废气回收装置130包括废气燃烧室132，且废气燃烧室132连通于低温碳化室122和高温石墨化室142，当废气回收装置130正常工作时，会将低温碳化室122和高温石墨化室142内产生的废气收集到废气燃烧室132，由于收集的废气中有一氧化碳、氢气和氧气等可燃性气体，因此在将其在废气燃烧室132进行燃烧，并将燃烧所释放的热量再通入到低温碳化室122和高温石墨化室142供它们内部的加热使用。故废气回收装置130的设置与使用进一步提高了碳碳复合材料加工设备100的能量利用率，降低了材料加工的成本，有利于实现利益最大化。

本实施例中的碳碳复合材料加工设备100的工作原理是：在碳碳复合材料加工设备100正常工作时，打开入口外门121，将需要添加的碳碳复合型材以步进式推舟的方式输入给上料置换仓123，在上料置换仓123内的环境被置换成和低温碳化室122内环境相同时，打开入口内门125，物料被输送到低温碳化室122内；在低温碳化室122内，通过电加热的方式对碳碳复合型材进行碳化处理；碳化处理结束后，其被输送到高温石墨化室142内进行高温石墨化处理。最后，经过碳化处理和石墨化处理的碳碳复合型材进入到出料装置150进行出料。

需要强调的是，本实施例提供的碳碳复合材料加工设备100在正常工作时，物料的碳化和石墨化过程是连续进行的，即低温碳化装置120和高温石墨化装置140是同时工作的，而且由于是连续化热加工处理，因此碳碳复合材料加工设备100基本一直保持加热的工作状态，不需要像传统设备一样需要多次反复的开启和关闭，从而去掉了在进行多次开闭时所必须有的预热阶段和降温阶段，这使得碳碳复合材料加工设备100的加工效率大大提高。

本实施例还提供了一种碳碳复合材料加工系统，其包括本实施例提供的碳碳复合材料加工设备100，该系统充分利用了碳碳复合材料加工设备100在进行加工时将碳化和石墨化进行连续化加工的优势，使得碳碳复合材料的加工效率大幅度提升，有利于企业利益最大化的实现。

第二实施例

请参照图2，本实施例提供一种碳碳复合材料加工设备200，其与第一实施例的碳碳复合材料加工设备100大致相同，二者的区别在于本实施例的碳碳复合材料加工设备200还包括支撑架210。

进一步地，为了使物料在碳化和石墨化的过程中碳碳复合材料加工设备200能够一直保持较为稳定的状态，本实施例通过将低温碳化装置120和高温石墨化装置140固定连接于支撑架210，使得低温碳化装置120和高温石墨化装置140能够稳定的固定在支撑架210上，从而保证了碳碳复合材料加工过程的稳定性。需要说明的是，在其它实施例中，支撑架210不限于固定连接一种方式，还可以采用可拆卸的方式与低温碳化装置120和高温石墨化装置140进行固定连接。

第三实施例

请参照图3，本实施例提供一种碳碳复合材料加工设备300，其与第二实施例的碳碳复合材料加工设备200大致相同，二者的区别在于本实施例的碳碳复合材料加工设备300还设置有抽真空装置360。

进一步地，抽真空装置360连通于低温碳化室122和废气回收装置130。需要说明的是，通过设置抽真空装置360可以使得物料在碳化和石墨化的过程中不被氧化，保证碳碳复合材料加工的质量稳定性；并且将抽真空装置360与废气回收装置130连通，可以直接在抽真空的时候将废气抽出并输送给废气回收装置130进行处理。

另外，需要强调的是，本实施例提供的碳碳复合材料加工设备300的感应线圈346与第二实施例的也有所不通，本实施例的感应线圈346为空心铜管绕制的感应线圈346，该空心铜管内通有循环冷却水，这样设计的目的主要是因为高温石墨化装置140在长时间的连续工作下，其感应加热势必也会使感应线圈346发热，如不及时对感应线圈346进行降温处理，势必会影响感应线圈346的性能，甚至是损坏感应线圈346，故本实施例通过设置通有循环冷却水的空心铜管解决了上述问题。

第四实施例

请参照图4，本实施例提供一种碳碳复合材料加工设备400，其与第三实施例的碳碳复合材料加工设备300大致相同，二者的区别在于本实施例的碳碳复合材料加工设备400还设置有惰性气体输送装置480。

进一步地，在一些碳碳复合材料加工时，需要有气氛保护才能进行。故本实施例设置惰性气体输送装置480，且连通于高温石墨化室142。当低温碳化室122或/和高温石墨化室142内的物料需要惰性气体保护时，便可通过惰性气体输送装置480输送惰性气体来对物料进行气氛保护，故惰性气体输送装置480的设置满足了碳碳复合材料加工过程中物料需要进行气氛保护的需求。

综上所述，本实用新型通过设置相互密封连接的低温碳化装置和高温石墨化装置，使得碳碳复合材料的碳化和石墨化过程能够连续化的一次性完成，缩短了碳碳复合材料的整体加工周期，故包括上述碳碳复合材料加工设备的碳碳复合材料加工系统整体上提高了加工效率，其可主要应用于异形碳碳复合材料的批量加工。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳碳复合材料加工设备，其特征在于，其包括低温碳化装置和高温石墨化装置，所述低温碳化装置和所述高温石墨化装置密封连接，所述低温碳化装置内部设置有低温碳化室，所述高温石墨化装置内部设置有高温石墨化室，所述低温碳化室和所述高温石墨化室连通，所述低温碳化室远离所述高温石墨化室的一端设置有上料装置，所述高温石墨化室远离所述低温碳化室的一端设置有出料装置。

2.根据权利要求1所述的碳碳复合材料加工设备，其特征在于，其还包括支撑架，所述低温碳化装置和所述高温石墨化装置可拆卸连接于所述支撑架。

3.根据权利要求1所述的碳碳复合材料加工设备，其特征在于，其还包括废气回收装置，所述废气回收装置连通于所述低温碳化室和所述高温石墨化室。

4.根据权利要求3所述的碳碳复合材料加工设备，其特征在于，所述废气回收装置包括废气燃烧室，所述废气燃烧室连通于所述低温碳化室和所述高温石墨化室。

5.根据权利要求1所述的碳碳复合材料加工设备，其特征在于，所述高温石墨化装置的内壁设置有石墨加热管，所述高温石墨化装置的外层设置有用于控制所述石墨加热管发热的感应线圈，所述石墨加热管和所述感应线圈之间设置有保温层。

6.根据权利要求5所述的碳碳复合材料加工设备，其特征在于，所述感应线圈为空心铜管绕制的感应线圈，所述空心铜管内通循环冷却水。

7.根据权利要求5所述的碳碳复合材料加工设备，其特征在于，所述保温层为石墨毡或氧化铝材料制成的保温层。

8.根据权利要求1所述的碳碳复合材料加工设备，其特征在于，所述低温碳化装置设置有抽真空装置，所述抽真空装置连通于所述低温碳化室。

9.根据权利要求1所述的碳碳复合材料加工设备，其特征在于，所述高温石墨化装置设置有惰性气体输送装置，所述惰性气体输送装置连通于所述高温石墨化室。

10.一种碳碳复合材料加工系统，其特征在于，其包括如权利要求1所述的碳碳复合材料加工设备。