CN2753743Y - 一种制备大尺寸机械密封用各向同性热解炭材料的设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种制备大尺寸机械密封用各向同性热解炭材料的设备，具有中频感应电源、水冷系统、温控系统、沉积装置、气体流量控制和尾气处理系统，所述沉积装置为石墨锥形流化床沉积装置，沉积装置的反应器上装有旋转机构，由旋转机构驱动转动的沉积基体安装于旋转机构的主轴上，反应器上方设有粒子添加器，与反应器连通，反应器下方设有粒子搜集器，与反应器连通，反应器下端开口处设有气体分配板，气体分配板中心设有倒锥形开口。本实用新型设计了沉积基体旋转机构、粒子添加器和粒子搜集器。这些设计实现了各向同性热解炭材料在沉积基体上的连续、稳态和长时间沉积，为制备大尺寸机械密封用各向同性热解炭材料奠定了基础。
Description
技术领域
本实用新型涉及机械密封材料的制备技术，具体为一种制备大尺寸机械密封用各向同性热解炭材料的设备。
背景技术
各向同性热解炭(Isotropic pyrolytic carbon)材料是利用化学气相沉积方法(chemical vapor deposition--CVD)制备的一种高性能碳质材料，由于其结构致密、晶粒尺寸小，因此除具备一般碳质材料的耐高温、润滑、耐磨损、生物相容性好等共性优点外，还具有强度高、不透气、可加工性能优良等特点，不需任何浸渍等后处理就可直接用做高性能机械密封组件，其强度、耐磨、密封性能、生物相容性、可加工性能等都大大优于传统碳质材料。目前这种新型炭材料作为涂层材料已在原子能工业和生物工程中得到广泛应用。但由于通常采用小型流化床工艺或转动床工艺，受到反应器尺寸小、沉积时间短、沉积条件不稳定等条件的制约，只能制备直径小于30毫米，厚度小于2毫米的各向同性热解炭涂层，限制了各向同性热解炭材料作为机械密封材料在航天、航空、船舶等领域的应用。
实用新型内容
为了克服上述不足，本实用新型的目的在于提供一种能够生产大尺寸机械密封用各向同性热解炭材料的设备。
本实用新型的技术方案是：
一种制备大尺寸机械密封用各向同性热解炭材料的设备，具有中频感应电源、水冷系统、温控系统、沉积装置、气体流量控制和尾气处理系统，其特征在于：所述沉积装置为石墨锥形流化床沉积装置，沉积装置的反应器上装有旋转机构，由旋转机构驱动转动的沉积基体安装于旋转机构的主轴上，反应器上方设有粒子添加器，与反应器连通，反应器下方设有粒子搜集器，与反应器连通，反应器下端开口处设有气体分配板，气体分配板中心设有倒锥形开口。
所述沉积装置的反应器内径为180-300毫米。
所述气体分配板的锥角α为30-45度。
所述粒子添加器开有气体进口。
所述粒子搜集器开有气体进口。
本实用新型的优点及有益效果是：
本实用新型设计了沉积基体旋转机构、粒子添加器和粒子搜集器。这些设计实现了各向同性热解炭材料在沉积基体上的连续、稳态和长时间沉积，为制备大尺寸机械密封用各向同性热解炭材料奠定了基础。
附图说明
图1为本实用新型设备示意图。
图2为本实用新型大型稳态流化床沉积装置示意图。
图3为Φ108毫米×φ118毫米×20毫米的各向同性热解炭材料环。
图4为各向同性热解炭材料正交偏光200倍金相照片。
具体实施方式
本实用新型设备利用化学气相沉积工艺制备各向同性热解炭材料。图1是设备示意图，主要分为中频感应电源、水冷系统、温控系统、沉积装置、气体流量控制和尾气处理系统六部分。2500Hz中频感应电源通过感应线圈2对沉积装置进行加热，用光电高温计、温控系统测量和调控沉积温度。沉积装置是石墨锥形流化床沉积装置。碳氢气体为甲烷、丙烷、丙烯或乙烯等，稀释和载带气体为氢气、氩气或氮气等，气体的流量由流量计和针阀测量控制。生产时需要水冷系统对电源和沉积装置进行冷却。反应产生的尾气由尾气处理系统处理。
该设备的核心是我们开发的大型稳态流化床沉积装置，如图2所示。反应器6内径为180-300毫米，反应器6下端开口处设有气体分配板7，气体分配板7中心设有倒锥形开口，气体分配板7锥角α为30-45度，其作用是实现床层粒子流态化。由旋转机构驱动转动的沉积基体安装于旋转机构的主轴上，沉积基体4通过速度可控的旋转机构3驱动旋转。碳氢气体和载气吹动直径为0.4-1.5毫米的Al2O3或ZrO2空心球(床层粒子)在反应器内形成流态化。碳氢气体在高温下裂解，在沉积基体4上沉积生成各向同性热解炭材料。旋转机构3解决了大尺寸沉积基体在反应器中的放置问题，保证了沉积基体在沉积过程中始终处于流态化床层粒子5的包围之中。在沉积过程中通过反应器6下部的粒子搜集器8和反应器6上部的粒子添加器1来实现床层粒子的稳定更换，通过粒子添加器1和粒子搜集器8可以连续的向流化床内加入或放出床层粒子5，进粒子量通过调节粒子添加器1电机的转速来调节，粒子添加器1开有气体进口，进粒子量通过调节粒子添加器1的气流(氢气、氩气或氮气等)来调节，粒子搜集器8开有气体进口，出粒子量通过调节粒子搜集器8的气流(氢气、氩气或氮气等)来调节，实时的保持床层面积、流态化状态等工艺参数的稳定。通过以上的设计，实现了各向同性热解炭材料在该装置中的长时间稳定沉积，从而可获得最大直径为170毫米，最大厚度为15毫米的各向同性热解炭材料。
图3是利用该设备制备得到的环状各向同性热解炭材料样品的宏观照片。其规格为内径×外径×高度为Φ108毫米×Φ118毫米×20毫米。
图4是各向同性热解炭材料的偏光金相照片，材料均匀致密，具有非光学活性。
Claims (5)
1、一种制备大尺寸机械密封用各向同性热解炭材料的设备，具有中频感应电源、水冷系统、温控系统、沉积装置、气体流量控制和尾气处理系统，其特征在于：所述沉积装置为石墨锥形流化床沉积装置，沉积装置的反应器(6)上装有旋转机构(3)，由旋转机构驱动转动的沉积基体(4)安装于旋转机构的主轴上，反应器(6)上方设有粒子添加器(1)，与反应器(6)连通，反应器(6)下方设有粒子搜集器(8)，与反应器(6)连通，反应器(6)下端开口处设有气体分配板(7)，气体分配板(7)中心设有倒锥形开口。
2、按照权利要求1所述制备大尺寸机械密封用各向同性热解炭材料的设备，其特征在于：所述沉积装置的反应器内径为180-300毫米。
3、按照权利要求1所述制备大尺寸机械密封用各向同性热解炭材料的设备，其特征在于：所述气体分配板的锥角α为30-45度。
4、按照权利要求1所述制备大尺寸机械密封用各向同性热解炭材料的设备，其特征在于：所述粒子添加器开有气体进口。
5、按照权利要求1所述制备大尺寸机械密封用各向同性热解炭材料的设备，其特征在于：所述粒子搜集器开有气体进口。
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