專利名稱：電熱法定向滲積制備炭/炭構(gòu)件的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供電熱法定向滲積制備炭/炭構(gòu)件的工藝，屬于炭/炭復(fù)合材料技 術(shù)領(lǐng)域。(二)
背景技術(shù)：
炭/炭(C/C)復(fù)合材料在高溫環(huán)境下具有高比強(qiáng)度和比模量，低密度以及 良好的耐燒蝕、熱物理、高溫力學(xué)性能，特別是它們?cè)诤艽蟮臏囟茸兓秶鷥?nèi) 能夠保持非常合理的摩擦系數(shù)，已被成功地用于戰(zhàn)略核武器的導(dǎo)彈鼻錐、火箭 發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管喉襯、航天飛機(jī)的鼻錐和機(jī)翼前緣以及飛機(jī)剎車盤等軍事、航空 航天領(lǐng)域，但是這種材料因?yàn)樘坷w維原材料的價(jià)格高和制備工藝周期長(zhǎng)而導(dǎo) 致成本很高，至今它們?cè)诠I(yè)與民用等領(lǐng)域還未獲得廣泛應(yīng)用，因此研發(fā)快速 低成本致密化新技術(shù)是目前國(guó)際C/C復(fù)合材料研究的重大課題之一。在C/C復(fù)合材料致密化方面，目前國(guó)內(nèi)外主要采用樹脂法和化學(xué)氣相滲積 (CVI)法。樹脂法一般需要多次循環(huán)浸入樹脂或者瀝青然后進(jìn)行炭化和石墨化，等溫CVI法預(yù)制體則需致密化1000小時(shí)以上，這些導(dǎo)致了c/c復(fù)合材料制備周期長(zhǎng)、成本高，并極大限制了其應(yīng)用范圍，因而國(guó)內(nèi)外都投入了大量人力物力研究快速致密化技術(shù)，相繼提出了熱梯度CVI、強(qiáng)迫對(duì)流熱梯度CVI 、直熱CVI等新工藝，但這些方法由于種種原因,均未在工業(yè)中取得大的應(yīng)用。電熱法(electrified perform heating CVI method,簡(jiǎn)稱ECVI)是通過(guò)對(duì)溫 度、壓力、接觸面積和自由空間體積比等參數(shù)的控制，控制氣體的滯留時(shí)間, 實(shí)現(xiàn)沉積碳自預(yù)制體內(nèi)部向外部的一次性逐層滲積，使碳的滲積速率提高一個(gè) 數(shù)量級(jí)，大大降低致密化成本。同時(shí)結(jié)合對(duì)熱解碳類型、組織結(jié)構(gòu)、界面的設(shè) 計(jì)，提高力學(xué)性能、摩擦學(xué)性能及材質(zhì)自身抗氧化能力，為C/C復(fù)合材料實(shí) 際應(yīng)用(特別是作為飛機(jī)剎車盤應(yīng)用)奠定良好基礎(chǔ)。(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電熱法定向滲積制備炭/炭構(gòu)件的工藝，解決現(xiàn) 有技術(shù)中c/c復(fù)合材料制備周期長(zhǎng)、成本高的缺陷，快速制備出具有高力學(xué)性 能、良好熱物理性能的c/c復(fù)合材料，以降低成本。本發(fā)明一種電熱法定向滲積制備炭/炭構(gòu)件的工藝，其技術(shù)方案分為以下幾部分預(yù)制體的制備，電熱法CVI沉積爐設(shè)計(jì)，預(yù)制體的致密化和高溫?zé)崽幚? 其工藝流程如圖l所示1. 預(yù)制體的制備首先，采用整體針刺氈作為預(yù)制體，其結(jié)構(gòu)單元為一層網(wǎng)胎+兩層無(wú)緯 布，二層無(wú)緯布之間的長(zhǎng)纖維采用正交(90°)鋪層，鋪設(shè)均勻；鋪層數(shù)應(yīng)不低于15層；無(wú)緯布采用T300PAN基炭纖維，其重量占整體重量的比例為^75%; 網(wǎng)胎也采用T300PAN基炭纖維，其重量比為《5°/。；初始密度為0.5g/cr^左右。 然后，將針刺氈預(yù)制體固定在自制的石墨夾具上，在石墨體的凹槽內(nèi)把預(yù)制體 固定。該石墨夾具主要是由石墨體和絕緣體兩大部分組成，底部的兩個(gè)獨(dú)立的 石墨體與兩個(gè)銅電極分別螺接固定，頂部的石墨體由絕緣體固定支撐，如圖2 所示。2. 電熱法CVI沉積爐設(shè)計(jì)電熱法CVI沉積爐如圖3所示。爐體的底端安裝電絕緣體和兩個(gè)銅電極， 爐體的內(nèi)壁安裝冷卻系統(tǒng)，并設(shè)有隔熱層避免爐體外壁溫度過(guò)高，爐體上安裝 了可視口，用于觀察爐體內(nèi)的各種現(xiàn)象，進(jìn)氣口安裝在爐體的底端，出氣口安 裝在爐體的頂端，預(yù)制體固定在由石墨體制成的石墨夾具內(nèi)，爐體中心處的絕 緣體固定支撐石墨體，絕緣體的中心安裝冷卻系統(tǒng)，熱電耦安裝于預(yù)制體表面， 用于測(cè)定預(yù)制體表面的溫度，熱電耦安裝于預(yù)制體中心部分，用于測(cè)定預(yù)制體 中心部分的溫度。3. 預(yù)制體的致密化和高溫?zé)崽幚硎紫冗M(jìn)行抽真空以檢查是否漏氣，然后通入氮?dú)鈦?lái)凈化爐體，持續(xù)通入氮 氣直到爐體內(nèi)的氣壓達(dá)到一個(gè)大氣壓；接著將預(yù)制體加熱到表面溫度為 700~800°C，同時(shí)要持續(xù)通入氮?dú)?，氮?dú)獾淖饔檬欠乐诡A(yù)制體氧化。預(yù)制體外 表面的溫度與內(nèi)部中心部分的溫度利用兩個(gè)熱電耦進(jìn)行測(cè)試， 一個(gè)固定在預(yù)制 體表面，另一個(gè)固定在預(yù)制體中心部分處。當(dāng)中心的溫度達(dá)到900 110(TC時(shí)， 通入天然氣與氮?dú)獾幕旌蜌怏w。隨著沉積的進(jìn)行，在表面部分的熱電耦測(cè)到的 溫度會(huì)慢慢上升，趨近于預(yù)制體中心的溫度，但是在整個(gè)沉積過(guò)程中沉積溫度 仍然保持在900 110(TC，沉積時(shí)間80小時(shí)，預(yù)制體致密化結(jié)束；然后，對(duì)經(jīng) 過(guò)致密化的材料進(jìn)行高溫?zé)崽幚戆巡牧戏旁谡婵仗蓟癄t中，在氮?dú)饣驓鍤獗?br> 護(hù)的狀態(tài)下，以30~50°C/h的升溫速率，升溫到2000-2500°C，并保溫3~5小時(shí)，即得成品。其中，該預(yù)制體自身直接被用作發(fā)熱體，在沉積爐中作為電源的電極。 其中，在該預(yù)制體的兩端加上電流，通過(guò)預(yù)制體的自身電阻產(chǎn)生熱量。 其中，該石墨夾具主要是由石墨體和絕緣體兩大部分組成，底部的兩個(gè)獨(dú)立的石墨體與兩個(gè)銅電極分別螺接固定，頂部的石墨體由絕緣體固定支撐。 其中，通入天然氣與氮?dú)獾幕旌蠚獾牧魉贋?5 1/min。 其中，在該抽真空以檢查是否漏氣的步驟中，應(yīng)保證漏氣的速率小于0.13Pa/min本發(fā)明一種電熱法定向滲積制備炭/炭構(gòu)件的工藝，其優(yōu)點(diǎn)及功效在于， 炭/炭構(gòu)件的制備周期長(zhǎng)短、成本低，且制備出的炭/炭構(gòu)件具有高力學(xué)性能、 良好熱物理性能。

圖1電熱法定向滲積制備炭/炭構(gòu)件的工藝流程2自制的石墨夾具示意3電熱法CVI沉積爐示意圖具體標(biāo)號(hào)及符號(hào)如下2、絕緣體5、石墨體 8、預(yù)制體 11、冷卻系統(tǒng)1、出氣口 4、熱電耦 7、銅電極 10、熱電耦 13、進(jìn)氣口3、冷卻系統(tǒng) 6、電絕緣體 9、可視口 12、隔熱層°度、°C攝氏度、°C/h攝氏度/小時(shí)、 Pa/min巾白/分、1/min 升/分具體實(shí)施例方式本發(fā)明一種電熱法定向滲積制備炭/炭構(gòu)件的工藝，其具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖敘述如下1.預(yù)制體的制備首先，采用整體針刺氈作為預(yù)制體，預(yù)制體的尺寸為1100x500x35mw， 炭纖維的體積含量為40%。其結(jié)構(gòu)單元為一層網(wǎng)胎+兩層無(wú)諱布，二層無(wú)煒
布之間的長(zhǎng)纖維采用正交(90°)鋪層，鋪設(shè)均勻；鋪層數(shù)應(yīng)不低于15層；無(wú)緯布采用T300PAN基炭纖維，其重量占整體重量的比例為^75%;網(wǎng)胎也采用 T300 PAN基炭纖維，其重量比為￡25%;初始密度為0.5g/cm3左右。然后，將 針剌氈預(yù)制體固定在自制的石墨夾具上，在石墨體的凹槽內(nèi)把預(yù)制體固定。該 石墨夾具主要是由石墨體5和絕緣體2兩大部分組成，底部的兩個(gè)獨(dú)立的石墨 體5是與兩個(gè)銅電極7分別螺接固定的，頂部的石墨體是由絕緣體2固定支撐 的，如圖2所示。2. 電熱法CVI沉積爐設(shè)計(jì)電熱法CVI沉積爐如圖3所示。爐體的底端安裝電絕緣體6和兩個(gè)銅電極 7，爐體的內(nèi)壁安裝冷卻系統(tǒng)ll，并設(shè)有隔熱層12避免爐體外壁溫度過(guò)高，爐 體上安裝了可視口9，用于觀察爐體內(nèi)的各種現(xiàn)象，進(jìn)氣口 13安裝在爐體的底 端，出氣口 l安裝在爐體的頂端，預(yù)制體8固定在由石墨體5制成的石墨夾具 內(nèi)，爐體中心處的絕緣體2固定支撐石墨體5，絕緣體2的中心安裝冷卻系統(tǒng)3， 熱電耦4安裝于預(yù)制體表面，用于測(cè)定預(yù)制體表面的溫度，熱電耦10安裝于預(yù) 制體中心部分，用于測(cè)定預(yù)制體中心部分的溫度。3. 預(yù)制體的致密化電熱法CVI沉積爐如圖3所示，以天然氣作為前驅(qū)體，天然氣氣流量為 351/min。實(shí)驗(yàn)的第一步是對(duì)沉積設(shè)備進(jìn)行抽真空檢查是否漏氣；要保證漏氣的 速率小于0.13 Pa/min，通入氮?dú)獯蠹s30分鐘來(lái)凈化爐體，然后通入氮?dú)庵钡綘t 體內(nèi)的氣壓達(dá)到一個(gè)大氣壓。接著加熱預(yù)制體，其外表面的溫度與內(nèi)部中心部 分的溫度利用兩個(gè)熱電耦進(jìn)行測(cè)試， 一個(gè)熱電耦固定在預(yù)制體表面，另一個(gè)固 定在預(yù)制體厚度的中心部分處，控制預(yù)制體中心溫度為900 110(TC，表面溫度 為700 80(TC，使得溫度梯度為200 30(TC，同時(shí)要持續(xù)通入氮?dú)?，氮?dú)獾淖饔?是起到保護(hù)作用防止氧化。等到沉積溫度穩(wěn)定了30分鐘以后，天然氣和氮?dú)獾?混合氣體通入沉積爐內(nèi)。隨著沉積的進(jìn)行，在表面部分的熱電耦測(cè)到的溫度會(huì) 慢慢上升，趨近于預(yù)制體中心的溫度，但是在整個(gè)沉積過(guò)程中沉積溫度仍然保 持在900 110(TC，待沉積時(shí)間達(dá)到80小時(shí)，預(yù)制體致密化結(jié)束，然后對(duì)經(jīng)過(guò)致 密化的材料進(jìn)行高溫?zé)崽幚戆巡牧戏旁谡婵仗蓟癄t中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)的狀態(tài)下， 以30'C/h的升溫速率，升溫到250(TC，并保溫3小時(shí)，即得成品。
權(quán)利要求
1、一種電熱法定向滲積制備炭/炭構(gòu)件的工藝，其特征在于其制備工藝為(1)預(yù)制體的制備首先，采用整體針刺氈作為預(yù)制體，其結(jié)構(gòu)單元為一層網(wǎng)胎+兩層無(wú)緯布，二層無(wú)緯布之間的長(zhǎng)纖維采用正交鋪層，鋪設(shè)均勻；鋪層數(shù)應(yīng)不低于15層；無(wú)緯布采用T300PAN基炭纖維，其重量占整體重量的比例為≥75％；網(wǎng)胎也采用T300PAN基炭纖維，其重量比為≤25％；初始密度為0.5g/cm3左右；然后，將針刺氈預(yù)制體固定在自制的石墨夾具上，在石墨體的凹槽內(nèi)把預(yù)制體固定；(2)電熱法化學(xué)氣相滲積沉積爐設(shè)計(jì)爐體的底端安裝電絕緣體和兩個(gè)銅電極，爐體的內(nèi)壁安裝冷卻系統(tǒng)，并設(shè)有隔熱層避免爐體外壁溫度過(guò)高，爐體上安裝可視口，用于觀察爐體內(nèi)的各種現(xiàn)象，進(jìn)氣口安裝在爐體的底端，出氣口安裝在爐體的頂端，預(yù)制體固定在由石墨體制成的石墨夾具內(nèi)，爐體中心處的絕緣體固定支撐石墨體，絕緣體的中心安裝冷卻系統(tǒng)，一個(gè)熱電耦安裝于預(yù)制體表面，用于測(cè)定預(yù)制體表面的溫度，另一個(gè)熱電耦安裝于預(yù)制體中心部分，用于測(cè)定預(yù)制體中心部分的溫度；(3)預(yù)制體的致密化和高溫?zé)崽幚硎紫冗M(jìn)行抽真空以檢查是否漏氣，然后通入氮?dú)鈦?lái)凈化爐體，持續(xù)通入氮?dú)庵钡綘t體內(nèi)的氣壓達(dá)到一個(gè)大氣壓；接著將預(yù)制體加熱到表面溫度為700～800℃，同時(shí)要持續(xù)通入氮?dú)?；預(yù)制體外表面的溫度與內(nèi)部中心部分的溫度利用兩個(gè)熱電耦進(jìn)行測(cè)試，一個(gè)固定在預(yù)制體表面，另一個(gè)固定在預(yù)制體中心部分處；當(dāng)中心的溫度達(dá)到900～1100℃時(shí)，通入天然氣與氮?dú)獾幕旌蜌怏w；隨著沉積的進(jìn)行，在表面部分的熱電耦測(cè)到的溫度會(huì)慢慢上升，趨近于預(yù)制體中心的溫度；整個(gè)沉積過(guò)程中沉積溫度保持在900～1100℃，沉積時(shí)間80小時(shí)，預(yù)制體致密化結(jié)束；然后，對(duì)經(jīng)過(guò)致密化的材料進(jìn)行高溫?zé)崽幚戆巡牧戏旁谡婵仗蓟癄t中，在氮?dú)饣驓鍤獗Ｗo(hù)的狀態(tài)下，以30～50℃/h的升溫速率，升溫到2000-2500℃，并保溫3～5小時(shí)，即得成品。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電熱法定向滲積制備炭/炭構(gòu)件的工藝，其特征 在于該預(yù)制體自身直接被用作發(fā)熱體，在沉積爐中作為電源的電極。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電熱法定向滲積制備炭/炭構(gòu)件的工藝，其特征 在于在該預(yù)制體的兩端加上電流，通過(guò)預(yù)制體的自身電阻產(chǎn)生熱量。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電熱法定向滲積制備炭/炭構(gòu)件的工藝，其特征 在于該石墨夾具主要是由石墨體和絕緣體兩大部分組成，底部的兩個(gè)獨(dú)立的 石墨體與兩個(gè)銅電極分別螺接固定，頂部的石墨體由絕緣體固定支撐。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電熱法定向滲積制備炭/炭構(gòu)件的工藝，其特征在于通入天然氣與氮?dú)獾幕旌蠚獾牧魉贋?5 1/min。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電熱法定向滲積制備炭/炭構(gòu)件的工藝，其特征在于在該抽真空以檢査是否漏氣的步驟中，應(yīng)保證漏氣的速率小于0.13Pa/min。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電熱法定向滲積制備炭/炭構(gòu)件的工藝，該技術(shù)包括三部分內(nèi)容電熱法CVI沉積爐設(shè)計(jì)；預(yù)制體的制備；預(yù)制體的致密化和高溫?zé)崽幚怼＞唧w是將預(yù)制體自身直接被用作發(fā)熱體，在沉積爐中作為電源的電極，在預(yù)制體的兩端加上電流，通過(guò)預(yù)制體的自身電阻產(chǎn)生熱量，使?fàn)t室達(dá)到反應(yīng)氣體的熱解溫度以上。
文檔編號(hào)C04B35/83GK101157563SQ20071012176
公開日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月13日
發(fā)明者強(qiáng) 李, 李進(jìn)松, 羅瑞盈 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)