CN211972152U - 环型碳/碳复合材料气相渗透装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出的是环型碳/碳复合材料气相渗透装置。包括沉积室、沉积室石墨盖板、料柱，料柱具有料柱Ⅰ和料柱Ⅱ两种结构形式；在石墨托板Ⅰ上叠放有多组预制体，顶部预制体上设有石墨盖板Ⅰ，石墨托板Ⅰ与预制体、相邻的预制体和预制体与石墨盖板Ⅰ之间间隔有外径垫环，形成料柱Ⅰ；在石墨托板Ⅱ上叠放有多组预制体，顶部预制体上设有石墨盖板Ⅱ，石墨托板Ⅱ与预制体、相邻的预制体和预制体与石墨盖板Ⅱ之间间隔有内径垫环，形成料柱Ⅱ。本实用新型通过交替使用料柱Ⅰ与料柱Ⅱ叠放预制体分段沉积，控制改变气态前驱体气体流向，提高产品密度的均匀性及缩短致密化时间，实现高密度复合材料的快速沉积。适宜作为气相渗透装置使用。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种环型碳/碳复合材料气相渗透装置。
背景技术
化学气相渗透（CVI）是制备碳/碳复合材料首选工艺方法，它是将碳纤维预制体置于专用的CVI炉内，加热至所需的温度，底部通入气态前驱体，气体裂解后扩散至较大孔隙的预制体内，将热解碳沉积在碳纤维周围和孔隙中使预制体最终形成碳/碳复合材料，此过程简称CVI致密化工艺。
采用CVI工艺生产碳/碳复合材料主要有以下类型：
1、等温法CVI：应用最广泛的设备，其特点是可大批量生产，性能稳定，但是沉积速率低，工艺周期长。
2、压差法CVI：与等温炉一样，碳纤维预制体置于炉内均温区域内，不同之处是气体强制流过预制体，在预制体中心和外表面形成压力差，其优点是沉积速率较等温CVI法有明显提高。缺点是容易在预制体表面形成炭黑，在径向易产生密度梯度，很难实现预制体的径向均匀增密，不适合工业化生产。
发明内容
本实用新型所要解决的问题是：克服现有技术的不足，提高环状碳/碳复合材料气相渗透密度的均匀性、径向均匀增密，提供了环型碳/碳复合材料气相渗透装置。该装置通过交替使用料柱Ⅰ与料柱Ⅱ叠放预制体分段沉积，控制改变气态前驱体气体流向，提高了预制体的径向均匀性，解决了气相渗透径向均匀性的技术问题。
本实用新型解决技术问题的技术方案是：
环型碳/碳复合材料气相渗透装置包括沉积室、用于封盖沉积室的沉积室石墨盖板、置于沉积室内并叠放有预制体的料柱，料柱具有料柱Ⅰ和料柱Ⅱ两种结构形式；在石墨托板Ⅰ上叠放有多组预制体，顶部预制体上设有石墨盖板Ⅰ，石墨托板Ⅰ与预制体、相邻的预制体和预制体与石墨盖板Ⅰ之间间隔有外径垫环，形成料柱Ⅰ；在石墨托板Ⅱ上叠放有多组预制体，顶部预制体上设有石墨盖板Ⅱ，石墨托板Ⅱ与预制体、相邻的预制体和预制体与石墨盖板Ⅱ之间间隔有内径垫环，形成料柱Ⅱ。
为了进一步解决本实用新型所要解决的技术问题，所述石墨托板Ⅰ为圆形片状，中部设有集中进气孔通孔。
进一步的，所述石墨盖板Ⅰ为圆盖形状，中部设有出气孔通孔，石墨盖板Ⅰ外圆周与沉积室内壁具有相应的空隙。
进一步的，所述所述石墨托板Ⅱ为圆形片状，环形阵列有分散进气孔通孔。
进一步的，所述石墨盖板Ⅱ为圆盖形状，径向环形阵列有调压出气孔，中部设有集中出气孔通孔。
进一步的，所述外径垫环与内径垫环采用石墨材质并通过预制体尺寸来确定其垫环尺寸，外径垫环外径一般大于预制体外径2～3mm，内径垫环内径一般小于预制体内径2～3mm；外径垫环与内径垫环的垫环宽度选为5～10mm、厚度2～8mm。
进一步的，所述沉积室为圆筒形状，上部敞开用于料柱进出，下部连接有管件通入气态前驱体。
进一步的，所述沉积室石墨盖板为圆环形状，中部设有出气通孔，反应残余气体从此处排出。
积极效果，本实用新型通过交替使用料柱Ⅰ与料柱Ⅱ叠放预制体分段沉积，控制改变气态前驱体气体流向，提高产品密度的均匀性及缩短致密化时间，实现高密度复合材料的快速沉积。适宜作为环型碳/碳复合材料气相渗透装置使用。
1）本装置具有制备周期短、产品成本低的优点，适于大规模的工业化生产；
2）通过料柱Ⅰ与料柱Ⅱ，使天然气和氮气强制通过预制体，在预制体径向建立了压力梯度，提高了反应气体的利用率，可达25～40%，比等温法高出约10倍；
3）根据装炉量及气体流量的大小在顶部石墨盖板Ⅱ上开设不同直径的调压出气孔通孔，便于调节内部压力，可大大避免炭黑产生的几率；
4）改变气体流动方向所使用的料柱Ⅰ与料柱Ⅱ结构简单，方便拆卸。
5）预制体适用于外径为280～500mm，内径为150～300mm，厚度为12～35mm，初始密度为0.60g/cm3材料的快速致密化，沉积出密度为1.75～1.80g/cm3的碳/碳复合材料，如飞机碳刹车盘等。
附图说明
图1为本实用新型料柱Ⅰ剖面示意图；
图2是本实用新型料柱Ⅱ剖面示意图。
图中，1.石墨托板Ⅰ，1.1.集中进气孔，2.预制体，3.外径垫环，4.石墨盖板Ⅰ，4.1.出气孔，5.石墨托板Ⅱ，5.1.分散进气孔，6.内径垫环，7.石墨盖板Ⅱ，7.1.集中出气孔，7.2.调压出气孔，8.沉积室石墨盖板，9.沉积室。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
据图所示，环型碳/碳复合材料气相渗透装置包括沉积室9、用于封盖沉积室9的沉积室石墨盖板8、置于沉积室内并叠放有预制体2的料柱，料柱具有料柱Ⅰ和料柱Ⅱ两种结构形式；在石墨托板Ⅰ1上叠放有多组预制体2，顶部预制体2上设有石墨盖板Ⅰ4，石墨托板Ⅰ1与预制体2、相邻的预制体2和预制体2与石墨盖板Ⅰ4之间间隔有外径垫环3，形成料柱Ⅰ；在石墨托板Ⅱ5上叠放有多组预制体2，顶部预制体2上设有石墨盖板Ⅱ7，石墨托板Ⅱ5与预制体2、相邻的预制体2和预制体2与石墨盖板Ⅱ7之间间隔有内径垫环6，形成料柱Ⅱ。
所述石墨托板Ⅰ1为圆形片状，中部设有集中进气孔1.1通孔。
所述石墨盖板Ⅰ4为圆盖形状，中部设有出气孔4.1通孔，石墨盖板Ⅰ1外圆周与沉积室9内壁具有相应的空隙，使得气态前驱体经集中进气孔1.1通入料柱Ⅰ中心，再通过预制体2内部孔隙向料柱Ⅰ外侧渗透，进而达到增密的效果。
所述所述石墨托板Ⅱ5为圆形片状，环形阵列有分散进气孔5.1通孔。
所述石墨盖板Ⅱ7为圆盖形状，径向环形阵列有调压出气孔7.2利于调节内部压力，中部设有集中出气孔7.1通孔，使得气态前驱体经分散进气孔1.1通入料柱Ⅱ外侧，再通过预制体2内部孔隙向料柱Ⅱ内侧渗透，进而达到增密的效果。
所述外径垫环3与内径垫环6采用石墨材质并通过预制体2尺寸来确定其垫环尺寸，为防止垫环与碳/碳复合材料粘结在一起，外径垫环3外径一般大于预制体2外径2～3mm，内径垫环6内径一般小于预制体2内径2～3mm；外径垫环3与内径垫环6的垫环宽度选为5～10mm、厚度2～8mm，有利于实现气体的定向流动。
所述沉积室9为圆筒形状，上部敞开用于料柱进出，下部连接有管件通入气态前驱体。
所述沉积室石墨盖板8为圆环形状，中部设有出气通孔，反应残余气体从此处排出。
本实用新型的工作原理：
环形预制件叠放在炉体的沉积室内，每个预制件之间以及叠放的最后一组预制件和顶部之间放置垫环，预制体顶部放置带孔盖板，形成料柱。抽完真空后，升到所需温度，然后通入气态前驱体反应气体。气态前驱体反应气体的流经路径为：第一步将反应气体通入炉体的沉积室料柱Ⅰ中心，再通过预制体内部孔隙向料柱Ⅰ外侧渗透，进而达到增密的效果。第二步，将料柱Ⅰ内预制体取出，重新叠放形成料柱Ⅱ，将通入炉体的沉积室内的料柱Ⅱ外侧，再通过预制体内部孔隙向料柱Ⅱ内侧渗透，进而达到均匀增密的效果。
因此，料柱Ⅰ与料柱Ⅱ分段沉积，通过改变气体流向实现预制体的均匀增密，从而实现缩短制备周期的目的，同时提高产品的密度均匀性。
本实用新型的工作过程：
第一步：在料柱Ⅰ1的石墨托板Ⅰ1上中心位置叠放预制体2，并用等厚石墨外径垫环3隔开，在预制体2最上端加石墨盖板Ⅰ4；然后放入沉积室9；最后再放置沉积室石墨盖板8，通入反应气体进行气相渗透。
第二步：料柱Ⅰ与料柱Ⅱ分段沉积，交替改变气态前驱体反应气体的流动方向，将料柱Ⅰ内的预制体2取出，在料柱Ⅱ5的石墨托板Ⅱ5上中心位置叠放预制体2，并用等厚石墨内径垫环6隔开，在预制体2最上端加石墨盖板Ⅱ4；然后放入沉积室9；最后再放置沉积室石墨盖板8，通入反应气体进行气相渗透。
本实用新型特点：
1、由于在石墨盖板Ⅱ中心设有集中出气孔7.1通孔，与预制体同心，石墨盖板Ⅱ外圆周平面环形阵列调压出气孔7.2通孔，所以，调压出气孔7.2有利于调节内部压力，能够避免由于气体滞留而导致出现炭黑的几率。
2、由于料柱Ⅰ与料柱Ⅱ分段沉积，交替改变气态前驱体气体流动方向分两个阶段进行增密，首先在预制体2外径部位加外径垫环3，气体从预制体2中心向预制体外围流动；其次，料柱Ⅰ转换料柱Ⅱ后，在预制体2内径部位加内径垫环6，气体从预制体2外围部位向预制体2中心流动，所以，预制体之间使用石墨垫环隔开，交替改变气体流向，控制气体流向，有利于提高产品密度的均匀性及缩短致密化时间，实现高密度复合材料的快速沉积。
Claims (8)
1.环型碳/碳复合材料气相渗透装置，其特征是：包括沉积室（9）、用于封盖沉积室（9）的沉积室石墨盖板（8）、置于沉积室内并叠放有预制体（2）的料柱，料柱具有料柱Ⅰ和料柱Ⅱ两种结构形式；在石墨托板Ⅰ（1）上叠放有多组预制体（2），顶部预制体（2）上设有石墨盖板Ⅰ（4），石墨托板Ⅰ（1）与预制体（2）、相邻的预制体（2）和预制体（2）与石墨盖板Ⅰ（4）之间间隔有外径垫环（3），形成料柱Ⅰ；在石墨托板Ⅱ（5）上叠放有多组预制体（2），顶部预制体（2）上设有石墨盖板Ⅱ（7），石墨托板Ⅱ（5）与预制体（2）、相邻的预制体（2）和预制体（2）与石墨盖板Ⅱ（7）之间间隔有内径垫环（6），形成料柱Ⅱ。
2.根据权利要求1所述的环型碳/碳复合材料气相渗透装置，其特征是：
所述石墨托板Ⅰ（1）为圆形片状，中部设有集中进气孔（1.1）通孔。
3.根据权利要求1所述的环型碳/碳复合材料气相渗透装置，其特征是：
所述石墨盖板Ⅰ（4）为圆盖形状，中部设有出气孔（4.1）通孔，石墨盖板Ⅰ（4）外圆周与沉积室（9）内壁具有相应的空隙。
4.根据权利要求1所述的环型碳/碳复合材料气相渗透装置，其特征是：
所述石墨托板Ⅱ（5）为圆形片状，环形阵列有分散进气孔（5.1）通孔。
5.根据权利要求1所述的环型碳/碳复合材料气相渗透装置，其特征是：
所述石墨盖板Ⅱ（7）为圆盖形状，径向环形阵列有调压出气孔（7.2），中部设有集中出气孔（7.1）通孔。
6.根据权利要求1所述的环型碳/碳复合材料气相渗透装置，其特征是：
所述外径垫环（3）与内径垫环（6）采用石墨材质并通过预制体（2）尺寸来确定其垫环尺寸，外径垫环（3）外径一般大于预制体（2）外径2～3mm，内径垫环（6）内径一般小于预制体（2）内径2～3mm；外径垫环（3）与内径垫环（6）的垫环宽度选为5～10mm、厚度2～8mm。
7.根据权利要求1所述的环型碳/碳复合材料气相渗透装置，其特征是：
所述沉积室（9）为圆筒形状，上部敞开用于料柱进出，下部连接有管件通入气态前驱体。
8.根据权利要求1所述的环型碳/碳复合材料气相渗透装置，其特征是：
所述沉积室石墨盖板（8）为圆环形状，中部设有出气通孔，反应残余气体从此处排出。
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