專利名稱：一種制備碳纖維增強碳化硅復合材料的裝置及工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及材料加工設備及工藝領域，特別涉及到一種制備碳纖維增強碳化硅復合材料的裝置及工藝。
背景技術：
碳纖維增強陶瓷基復合材料(FRCMC)由于具有良好的物理、化學及機械性能，受到國內外材料領域研究和應用者的極大重視。該類材料的主要特點是當FRCMC受載裂紋擴展時具有高強度、高模量的纖維通過各種消耗材料內能的途徑，如裂紋偏轉、纖維拔出等效應，防止材料發(fā)生災難性的脆性斷裂。
在眾多的連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料中，碳化硅陶瓷基復合材料是較有代表性的一種，其中Cf/SiC被認為是最有前途、最新的輕質航空結構材料。Cf/SiC復合材料結合了碳纖維優(yōu)異的高溫性能、SiC基體的高抗氧化性能和高耐磨性，克服了Cf/C復合材料抗氧化性差、陶瓷基復合材料高溫性能差和韌性低的缺點，在國外液體火箭發(fā)動機上得到應用，如航天飛機Hotol的頭錐、舵面、進氣道、機身等都采用Cf/SiC復合材料防熱結構，使整個航天飛機結構質量僅占總重的10％；用作衛(wèi)星遠地點姿控、軌控發(fā)動機推力室，不僅減輕了結構質量，而且提高了燃燒室溫度，增加了使用范圍，提高了安全性和可靠性。Cf/SiC復合材料具有重量輕、耐熱裂(大氣中可耐1450℃高溫)、耐磨性好、優(yōu)良的導熱性和高速制動性能等優(yōu)良的特點，顯示出其是制作飛機剎車片的優(yōu)良材料。
目前制備連續(xù)增強陶瓷基復合材料的方法主要有反應燒結法、化學氣相沉積法(CVD)、先驅體轉化法以及化學氣相滲透法(CVI)。燒結法中，纖維和陶瓷粉末不易復合成型，燒結時基體產生收縮，損傷纖維，制備工藝困難；CVI方法將纖維編成預制件，然后氣相滲入預制件轉化為基體，該方法成本高，周期長。
Taylorpr等人開發(fā)了熱梯度強制流動CVI法、微波化學氣相法、感應加熱化學氣相滲積法等方法，縮短了制備周期，部分解決了材料的致密度問題。
1999年陜西非金屬材料工藝研究所閆聯(lián)生等人先利用氣相滲透法，再進行液相浸漬裂解的混合基體致密化工藝制備了碳/碳化硅復合材料，將生產工藝周期縮短為一個月。
北京理工大學學報2002年報道，朱時珍等人采用自動熱化學氣相滲積法制備了Cf/SiC復合材料。利用SHCVI技術制備復合材料的反應爐，爐中對預制件直接加熱，產生熱梯度，三氯甲基硅烷在爐中分解生成SiC沉積在預制件中。沉積時間長達20小時，抗彎強度達到382.2MPa，斷裂韌性達到9.2MPa.m1/2。
西北大學學報2002年報道，史啟楨等人利用RLPD法致密化工藝設備致密碳/碳復合材料。該設備由反應容器與加熱裝置、冷凝排氣系統(tǒng)、進料系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)和保護系統(tǒng)組成。采用感應式加熱方式。容器頂部安裝冷凝系統(tǒng)將汽化的先驅體冷卻回流，不能冷凝的廢氣則從出口排出。為防止沉積碳發(fā)生氧化，在容器壁的一側設計進氣孔，制備過程中充入氮氣保護。
目前，制備Cf/SiC復合材料工藝和裝置的不足之處為生產周期長，相對密度低，材料的生產成本高，生產能力有限，難以生產形狀復雜、大型的制件，不能實現工業(yè)化生產，滿足不了國民經濟發(fā)展的需求。最關鍵的問題是，液態(tài)碳氫化合物前驅體在高溫下發(fā)生裂解，具有易燃、易爆等特點，安全性能極差。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了克服原有方法制備Cf/SiC復合材料耗時、耗能及不安全性的不足，提供一種安全快速制備Cf/SiC材料的裝置及工藝。本發(fā)明的基本構思是，設計一種快速化學液氣相法制備Cf/SiC材料的裝置，并提供預制件制備工藝。
快速化學液氣相法制備Cf/SiC材料的裝置是由控制系統(tǒng)、保護釜系統(tǒng)、工作釜系統(tǒng)、安全隔離器、保護液循環(huán)系統(tǒng)構成。控制系統(tǒng)通過導線與保護釜系統(tǒng)、工作釜系統(tǒng)、安全隔離器相連接；安全隔離器、工作釜系統(tǒng)安裝在保護釜系統(tǒng)內；安全隔離器通過進氣管道與工作釜系統(tǒng)相連接；保護液循環(huán)系統(tǒng)通過壓力調節(jié)裝置與保護釜相連接。
控制系統(tǒng)由可控電源、電壓調節(jié)器、電流調節(jié)器、微機精密控制儀、手動開關構成；微機精密控制儀上安裝了微機編程多段控溫程序，根據工作需要，輸入一定參數，可使整個系統(tǒng)精確微量控制電壓電流的升降。
保護釜系統(tǒng)由保護釜殼體、保護釜上蓋等構成，蓋上嵌有防爆照明燈和光學觀察窗，外殼體上部裝有強制排煙道，內殼體中部裝有工作釜定位夾緊裝置。
安全隔離器由隔離器殼體、隔離器上蓋、多片式散熱冷卻器、氣體冷凝吸收器、出氣管道、進氣管道、強制氣體單向通過器、冷卻介質出口、冷卻介質進口構成。
工作釜系統(tǒng)由工作釜殼體、工作釜上蓋、上蓋鎖緊裝置等組成，工作釜上蓋安裝了壓力顯示器、電極和保護氣入口，工作釜殼體底部安裝支撐裝置，通過隔離器進氣管道與隔離器相連接，殼體內部裝有預制件夾緊裝置，在一定范圍內，可根據預制件的尺寸進行調節(jié)并夾緊。
保護液循環(huán)系統(tǒng)由保護液壓力調節(jié)裝置、增壓循環(huán)裝置、保護液循環(huán)箱、溢流式回流裝置構成。
預制件制備工藝包括保護層材料制備工藝和強化層材料制備工藝，首先在碳纖維預制件上涂敷保護層材料，然后再涂敷強化層材料。
保護層材料制備工藝為把碳纖維材料的預制件放入含碳的有機物溶劑苯、或甲苯、或二甲苯中，使其徹底浸漬，30～60分鐘后取出，然后在150～200℃的恒溫條件及氮氣或氬氣保護氣氛下進行碳化，碳化時間為16～32小時。根據保護層材料的厚度，可重復一遍或是多遍浸漬過程，使厚度控制在1μm～10μm范圍內。
強化層材料制備工藝為在有機物溶劑中加入粒度為3～6μm的碳化硅、或氮化硅、或碳化鈦、或碳化硼，在超聲波作用下進行均勻化，再在該液體中加入碳粉或短碳纖維使溶液粘度達到50～100Pa.s，制成強化層材料溶液；再將涂敷保護層材料的預制件放入該溶液中，在超聲波作用下使其充分浸漬，最后在220℃的氮氣或氬氣保護氣氛下進行烘干，制成預制件成品。
該裝置及制備工藝，使材料制備周期縮短為幾小時內，提高了制備材料質量和生產效率，降低了生產成本，而且能夠進行常壓運行，防燃防爆，大大提高了生產操作過程中的安全性。該裝置結構簡單，工藝設計合理，操作方便。
四

圖1快速化學液氣相法制備Cf/SiC材料裝置結構示意圖；圖2安全隔離器的結構示意圖；圖3預制件夾緊裝置的結構示意圖的主視圖；圖4預制件夾緊裝置的結構示意圖的側視圖。
附圖標記1控制系統(tǒng)，2工作釜系統(tǒng)，2-1工作釜殼體，2-2壓力顯示器，2-3電極，2-4保護氣入口，2-5工作釜上蓋，2-6工作釜上蓋鎖緊裝置，2-7預制件夾緊裝置，2-7-1支撐座，2-7-2接觸式電極，2-7-3預制件夾頭，2-7-4預制件導電支撐，2-8工作釜支撐裝置，3保護釜系統(tǒng)，3-1保護釜殼體，3-2強制排煙道，3-3保護釜上蓋，3-4防爆照明燈，3-5光學觀察窗，3-6工作釜定位夾緊裝置，4安全隔離器，4-1隔離器殼體，4-2多片式散熱冷卻器，4-3冷卻介質出口，4-4多片式散熱片，4-5氣體冷凝吸收器，4-6隔離器上蓋，4-7出氣管道，4-8進氣管道，4-9強制氣體單向通過器，4-10冷卻介質進口，5保護液循環(huán)系統(tǒng)，5-1溢流式回流裝置，5-2保護液壓力調節(jié)裝置，5-3增壓循環(huán)裝置，5-4保護液循環(huán)箱。
五具體實施例方式
預制件制備的工藝過程
保護層材料制備工藝過程為選擇尺寸為長度178mm，直徑6mm的碳纖維棒。先將碳纖維棒放在二甲苯溶劑中浸漬約45分鐘后取出，然后在氮氣保護氣氛和180℃恒溫條件下進行24小時碳化，最后在碳纖維棒表面形成保護層材料。
強化層材料制備工藝由二甲苯與碳化硅粉末調成粘稠溶液，用超聲波進行均勻化處理，再在該液體中加入碳粉使其粘度達到50～100Pa.s，制成強化層材料溶液；然后將涂敷保護層材料的碳纖維棒放入該溶液中，在超聲波作用下使其充分浸漬；最后在220℃的氮氣保護氣氛下進行烘干，制成預制件成品。
根據圖1、圖2、圖3所示，裝置加工運行過程為先打開保護液壓力調節(jié)裝置5-2，再打開增壓循環(huán)裝置5-3，使液壓穩(wěn)定均勻的冷卻介質從保護液循環(huán)箱5-4中流出，并保證溢流式回流裝置5-1穩(wěn)定工作；打開保護釜上蓋3-3，檢查工作釜上蓋2-5上電極2-3的連接，觀察壓力顯示器2-2的數值，保證保護氣入口2-4暢通。往工作釜殼體2-1內輸入一定量的先驅體工作液，然后將已制備好的碳纖維預制件成品安裝在工作釜殼體2-1內的預制件夾緊裝置2-7上，根據預制件成品的尺寸調整支撐座2-7-1上的可移動式預制件夾頭2-7-3的位置，把預制件導電支撐2-7-4放入預制件夾頭2-7-3中；然后將可調節(jié)的接觸式電極2-7-2插入已固定好的預制件夾頭2-7-3中，使預制件與接觸式電極2-7-2緊密配合；最后放入工作釜殼體2-1內的先驅體工作液中。蓋上工作釜上蓋2-5，擰緊工作釜上蓋鎖緊裝置2-6，以防止釜內出現高壓力沖開裝置頂蓋而起保護作用；再在工作釜上方卡緊工作釜定位夾緊裝置3-6，起雙重鎖緊保護作用；蓋上保護釜上蓋3-3，打開氮氣調節(jié)閥門，調節(jié)氣體壓力及流量，使保護氣流量達到最佳值；然后根據工作需要，利用專用微機編程多段控溫程序在微機精密控制儀上輸入合適的運行參數，并且可根據需要進行自動和手動切換控制；最后檢查控制系統(tǒng)1各儀表顯示器是否正常運行，檢查結果正常后，合上控制柜電閘，開始工作。
當需要進行觀察時，打開保護釜上蓋3-3上的防爆照明燈3-4，使保護釜殼體3-1內被照亮，這時通過觀察窗3-5可看清釜內壓力顯示器2-2上的壓力值以及保護釜殼體3-1內的運行情況。
安全隔離器4開始工作前，從冷卻介質進口4-10輸入一定量的具有較好冷卻效果的介質；工作過程中，完全浸入在冷卻介質中的多片式散熱冷卻器4-2，可強制冷卻進入的裂解氣，其中大部分裂解氣凝固成液體，一少部分被氣體冷凝吸收器4-5所吸收，因為其內部裝有能與先驅體裂解蒸汽相適應的某種特殊液體，而少量氣體通過強制排煙道3-2釋放到空氣中；冷卻器上還裝有強制氣體單向通過器4-9，它保證裂解氣只能向外排出，而外面的空氣以及有害雜質無法通過進氣管道進入工作釜殼體2-1內，阻斷了外部大氣環(huán)境與釜內氣氛的接觸，大大增強了工作的安全性。在此系統(tǒng)協(xié)調的運行中，可使工作用的先驅體在本裝置中較為安全的工作。4個小時后，工件制備結束。待冷卻后，首先打開保護釜上蓋3-3，再打開工作釜上蓋2-5，取出工件，并把使用過的介質從冷卻介質出口4-3泄出，保證保護釜殼體2-1內不被污染。
經測試，該工件的碳化硅含量達到45vol％，直徑為10mm。測定的性能指標如下彎曲強度420MPa斷裂韌性18MPa/m1/2密度1.95g/cm3相對密度98％該快速化學液氣相法制備Cf/SiC材料的裝置及工藝，使碳化硅復合材料制備周期縮短在幾個小時內，提高了制備材料質量和生產效率，降低了生產成本。而且能夠進行常壓運行，防燃防爆，大大提高了生產操作過程中的安全性。
權利要求
1.制備碳纖維增強碳化硅復合材料的裝置，其特征為該裝置由控制系統(tǒng)、保護釜系統(tǒng)、工作釜系統(tǒng)、安全隔離器、保護液循環(huán)系統(tǒng)構成；控制系統(tǒng)通過導線與保護釜系統(tǒng)、工作釜系統(tǒng)、安全隔離器相連接；安全隔離器、工作釜系統(tǒng)安裝在保護釜系統(tǒng)內；安全隔離器通過進氣管道與工作釜系統(tǒng)相連接；保護液循環(huán)系統(tǒng)通過壓力調節(jié)裝置與保護釜相連接。
2.根據權利要求1所述的一種制備碳纖維增強碳化硅復合材料的裝置，其特征為所述的控制系統(tǒng)是由可控電源、電壓調節(jié)器、電流調節(jié)器、微機精密控制儀、手動開關構成。
3.根據權利要求1所述的一種制備碳纖維增強碳化硅復合材料的裝置，其特征為所述的保護釜系統(tǒng)是由保護釜殼體、保護釜上蓋等構成，蓋上嵌有防爆照明燈和光學觀察窗，外殼體上部裝有強制排煙道，殼體內中部裝有工作釜定位夾緊裝置。
4.根據權利要求1所述的一種制備碳纖維增強碳化硅復合材料的裝置，其特征為所述的工作釜系統(tǒng)由工作釜殼體、工作釜上蓋、上蓋鎖緊裝置等組成，工作釜上蓋安裝了壓力顯示器、電極和保護氣入口，工作釜殼體底部安裝支撐裝置，通過隔離器進氣管道與隔離器相連接，殼體內部裝有預制件夾緊裝置
5.根據權利要求1所述的一種制備碳纖維增強碳化硅復合材料的裝置，其特征為所述的安全隔離器是由隔離器殼體、多片式散熱冷卻器、冷卻介質出口、氣體冷凝吸收器、隔離器上蓋、出氣管道、進氣管道、強制氣體單向通過器、冷卻介質進口構成。
6.根據權利要求1所述的一種制備碳纖維增強碳化硅復合材料的裝置，其特征為所述的保護液循環(huán)系統(tǒng)是由保護液壓力調節(jié)裝置、增壓循環(huán)裝置、保護液循環(huán)箱、溢流式回流裝置構成。
7.預制件制備工藝，其特征為預制件制備工藝包括保護層材料制備工藝和強化層材料制備工藝，首先在碳纖維材料上涂敷保護層材料，然后再涂敷強化層材料。
8.根據權利要求7所述的保護層材料制備工藝，其特征為所述保護層材料制備工藝為把碳纖維預制件放入含碳的有機物溶劑苯、或甲苯、或二甲苯中，使其徹底浸漬，30～60分鐘后取出，然后在150～200℃的恒溫條件及氮氣或氬氣保護氣氛下進行碳化，碳化時間為16～32小時；根據保護層材料厚度，可重復一遍或是多遍浸漬過程，使厚度控制在1μm～10μm范圍內。
9.根據權利要求7所述的預制件制備工藝，其特征為所述的強化層材料制備工藝為在有機物溶劑中加入粒度為3～6μm的碳化硅、或氮化硅、或碳化鈦、或碳化硼，用超聲波進行均勻化，再在該液體中加入碳粉或短碳纖維使溶液粘度達到50～100Pa.s，制成強化層材料溶液；再將涂敷保護層材料的碳纖維預制件放入該溶液中，在超聲波作用下使其充分浸漬，最后在220℃的氮氣或氬氣保護氣氛下進行烘干，制成預制件成品。
全文摘要
制備碳纖維增強碳化硅復合材料的裝置及工藝。該裝置是由控制系統(tǒng)、保護釜系統(tǒng)、工作釜系統(tǒng)、安全隔離器、保護液循環(huán)系統(tǒng)構成?？刂葡到y(tǒng)通過導線與各部件相連接；安全隔離器、工作釜系統(tǒng)安裝在保護釜系統(tǒng)內；安全隔離器通過進氣管道與工作釜系統(tǒng)相連接；保護液循環(huán)系統(tǒng)通過壓力調節(jié)裝置與保護釜相連接。預制件制備工藝為先在碳纖維預制件上涂敷保護層材料，再涂敷強化層材料，制備預制件成品。將已制備好的預制件成品，安裝在工作釜殼體內制備碳纖維增強碳化硅復合材料。該裝置和工藝使制備周期縮短為幾小時，提高了制備材料質量和生產效率，降低了生產成本；能夠進行常壓運行，防燃防爆，安全性好。該裝置結構簡單，工藝設計合理，操作方便。
文檔編號C04B35/80GK1579996SQ0313892
公開日2005年2月16日 申請日期2003年7月30日 優(yōu)先權日2003年7月30日
發(fā)明者耿浩然, 田憲法, 王艷 申請人:濟南大學