專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及炭/炭復(fù)合材料的制備技術(shù)，特別提供了一種化學(xué)氣相沉積高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
炭/炭復(fù)合材料(以下簡(jiǎn)稱(chēng)C/C)具有高溫高強(qiáng)度、高模量，重量輕，抗熱震性好和耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在高溫真空爐用部件、飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)以及冶金、化工、電子等很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。
化學(xué)氣相沉積制備C/C的代表性技術(shù)有等溫法、溫度梯度法和骨架直接通電法。等溫法為了降低沉積過(guò)程中的瓶頸效應(yīng)，必須控制相當(dāng)?shù)偷某练e速度，因此制備周期很長(zhǎng)，成本高。溫度梯度法制備周期也很長(zhǎng)，且只能制備圓筒形C/C。
骨架直接通電法沉積速度快，生產(chǎn)周期短。但是，整個(gè)骨架都處于冷的外部環(huán)境中，在沿骨架長(zhǎng)度方向通電均勻發(fā)熱的情況下，其寬度方向的邊緣帶比中間帶散熱快，使得兩邊緣帶沉積速度慢，中間帶沉積速度快，制備的C/C密度不均勻。另外這種方法沉積溫度過(guò)高，在沉積反應(yīng)的初期，不但沿骨架厚度方向的中心層發(fā)生沉積，在靠近骨架外表面的外層也達(dá)到了沉積溫度發(fā)生沉積反應(yīng)。由于反應(yīng)氣體是靠擴(kuò)散通過(guò)骨架外層孔隙滲透到內(nèi)層，反應(yīng)氣體優(yōu)先在達(dá)到沉積反應(yīng)溫度的外層發(fā)生沉積，隨著沉積反應(yīng)不斷進(jìn)行，外層致密后起到屏蔽作用，阻止了反應(yīng)氣體向中心層擴(kuò)散，中心層沒(méi)有被熱解炭填滿，制備的C/C密度低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種密度均勻的C/C板材的方法。
本發(fā)明提供一種高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法，以炭纖維骨架自身為發(fā)熱體，以碳?xì)錃怏w為反應(yīng)氣體，進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，其特征在于a)所述骨架兩端與電極相連接，沿其長(zhǎng)度或?qū)挾确较蛲姡谄鋵挾然蜷L(zhǎng)度方向的兩邊緣給以溫度補(bǔ)償，使其表面溫度處處相等，其厚度兩側(cè)處于冷的外部環(huán)境中，使發(fā)熱后的炭纖維骨架沿厚度方向的中心層到其兩側(cè)面形成溫度梯度，以實(shí)現(xiàn)沉積帶從中心層逐漸向兩側(cè)面移動(dòng)；b)沉積過(guò)程從炭纖維骨架表面溫度350～600℃開(kāi)始，到1000～1200℃終止。
本發(fā)明利用骨架保溫性好的特點(diǎn)，以及熱解沉積爐兩側(cè)水冷壁和反應(yīng)氣流的散熱作用，沿骨架厚度方向的中心層到外表面產(chǎn)生較大的溫度梯度。控制發(fā)熱體骨架的溫度，使其中心層剛好達(dá)到沉積反應(yīng)溫度，而靠近表面的外層溫度低于沉積反應(yīng)溫度，反應(yīng)氣體透過(guò)外層擴(kuò)散到中心層發(fā)生反應(yīng)沉積下來(lái)，在中心層形成沉積帶，恒溫沉積使中心層密實(shí)化。然后逐漸升溫，沉積帶從中心層逐漸向外移動(dòng)，最后由內(nèi)而外被整體密實(shí)化，得到均質(zhì)高密度C/C；在熱解沉積區(qū)內(nèi)骨架寬度方向的兩邊緣分別加以輔助加熱，用來(lái)控制骨架整個(gè)表面溫度一致，使沉積過(guò)程中骨架寬度方向溫度處處相等，整個(gè)表面溫度同步變化，同步沉積。
本發(fā)明提供的高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法中，反應(yīng)氣體可以是碳?xì)錃怏w和惰性氣體的混合物，反應(yīng)氣體中碳?xì)錃怏w的濃度為50～100％，反應(yīng)氣體的流量，按照最大板材尺寸計(jì)，為每平方米骨架1～10m3/h。
本發(fā)明提供的高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法中，可以是炭纖維針刺炭氈、炭纖維長(zhǎng)絲鋪層針刺炭氈、炭纖維無(wú)緯布層疊針刺炭氈等，其密度在0.15g/cm3以上。
本發(fā)明提供的高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法中，反應(yīng)氣體的碳?xì)錃怏w可以是民用液化氣、民用管道天然氣、丙烷、乙炔、甲烷等任何一種，作為碳源，反應(yīng)氣體的惰性氣體可以是氬氣、氮?dú)獾热魏我环N，作為稀釋氣體。
本發(fā)明提供的高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法中，可以采用防止骨架彎曲變形的夾具，如熱解沉積區(qū)用兩排兩兩相對(duì)的ф10mm～ф30mm的氧化鋁管或氧化鋁棒，將骨架限位。
本發(fā)明提供的高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法中，可以采用冷壁沉積，即沉積制備過(guò)程在水冷壁的作用下進(jìn)行，首先設(shè)置低溫沉積平臺(tái)，350～600℃，恒溫沉積1～30小時(shí)。
本發(fā)明提供的高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法中，低溫沉積平臺(tái)的時(shí)間為2～30小時(shí)，然后10～25小時(shí)升溫至1000～1200℃進(jìn)行升溫沉積；以用于制備較小尺寸的炭/炭板材(散熱面積小，沉積后期能滿足供電)。
本發(fā)明提供的高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法中，沉積可以分兩段進(jìn)行第一階段冷壁沉積，350～600℃，恒溫沉積2～30小時(shí)，然后6～20小時(shí)升溫至700～850℃進(jìn)行升溫沉積；第二階段保溫沉積，即沉積過(guò)程在熱解沉積爐子水冷壁內(nèi)側(cè)加裝活動(dòng)保溫層后進(jìn)行，起始溫度為第一階段的終止溫度，終止溫度為1000～1200℃，沉積時(shí)間4～10小時(shí)，以用于制備較大尺寸的C/C板材(散熱面積大，沉積后期供電設(shè)備不能滿足供電)。
本發(fā)明提供的高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法中，可以在保溫條件下進(jìn)行，低溫沉積平臺(tái)的時(shí)間為1～5小時(shí)，然后升溫至1000～1200℃，進(jìn)行升溫沉積，沉積時(shí)間3～10小時(shí)，以用于制備厚度較薄的C/C板材(由于原始骨架橫截面積小電阻大，初始功率不夠，通電后達(dá)不到沉積反應(yīng)溫度)。
本發(fā)明提供的高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法，其整個(gè)沉積過(guò)程不必在真空狀態(tài)下進(jìn)行，而反應(yīng)氣體在微正壓下進(jìn)入和流經(jīng)沉積區(qū)。
本發(fā)明提供的高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法，其流經(jīng)沉積區(qū)的反應(yīng)氣體排出后再進(jìn)行無(wú)害化處理，如點(diǎn)火燃燒或作其它使用。
本發(fā)明提供的高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法的優(yōu)點(diǎn)在于生產(chǎn)周期短，耗電量少，制備成本更低，可以批量生產(chǎn)大尺寸C/C板材。整個(gè)制備過(guò)程并非在真空條件下，而在微正壓下進(jìn)行，對(duì)設(shè)備要求不高，投資小，滿足環(huán)保要求。


圖1是長(zhǎng)方體熱解沉積爐的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是沉積爐中骨架夾在兩石墨電極之間的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是骨架夾在兩排氧化鋁管之間的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是熱補(bǔ)償裝置的分布圖；
圖5是沉積過(guò)程溫度曲線圖；圖6是加有活動(dòng)保溫層的熱解沉積爐的結(jié)構(gòu)示意具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 制備尺寸1000×700×20mm的C/C板材在兩側(cè)壁裝有水冷(3)(見(jiàn)圖1)套而其余四壁安裝保溫層(8)的長(zhǎng)方體熱解沉積爐中，將骨架炭氈(1)夾在兩石墨電極(2)之間作發(fā)熱體(見(jiàn)圖2)。在爐底石墨板(5)上位于骨架炭氈(1)的兩側(cè)垂直插入兩排兩兩相對(duì)的氧化鋁管(6)(或氧化鋁棒)，將骨架炭氈(1)夾在兩排氧化鋁管(6)(或氧化鋁棒)中間限位，防止其彎曲變形(見(jiàn)圖3)。靠近骨架炭氈(1)上、下邊緣處分別安裝熱補(bǔ)償裝置(9)(見(jiàn)圖2和見(jiàn)圖4)。在熱解沉積爐內(nèi)充滿惰性氣體，沿長(zhǎng)度方向給骨架炭氈(1)通電升溫，達(dá)到預(yù)定溫度后，從下方導(dǎo)入反應(yīng)氣體。
采用的骨架炭氈(1)是炭纖維無(wú)緯布層疊針刺炭氈，密度為0.50g/cm3。
由于散熱面積大，沉積后期供電設(shè)備不能滿足供電，沉積過(guò)程采用兩個(gè)階段進(jìn)行(見(jiàn)圖5)。第一階段是冷壁沉積，起始溫度500℃，恒溫沉積3小時(shí)，然后6小時(shí)升溫到800℃；第二階段是保溫沉積，即沉積制備過(guò)程在熱解沉積爐子水冷壁內(nèi)側(cè)加裝活動(dòng)保溫層后進(jìn)行(見(jiàn)圖6)。起始溫度800℃，升溫至1200℃，沉積時(shí)間4小時(shí)。
采用的反應(yīng)氣體是乙炔作碳源和氬氣作稀釋氣體。反應(yīng)氣體中碳?xì)錃怏w的濃度為50％，反應(yīng)氣體流量2.5m3/h。
活動(dòng)保溫層(10)是用熱固性樹(shù)脂將炭氈、高硅氧氈等粘結(jié)成整體，便于移動(dòng)。熱補(bǔ)償裝置(9)采用護(hù)套為不銹鋼管的電熱管，用置于骨架炭氈(1)兩邊緣處的熱電偶(4)控制發(fā)熱(見(jiàn)圖4)。
防止骨架炭氈(1)在沉積制備過(guò)程中彎曲變形的夾具是氧化鋁管(6)，直徑為ф20mm，每隔150mm插兩根。固定氧化鋁管(6)的爐底板是一塊較厚的石墨板(5)。
所使用的沉積爐為常壓熱解沉積爐，整個(gè)沉積過(guò)程在微正壓下進(jìn)行，溢出尾氣直接排放到預(yù)定空間(燃燒室)燃燒，進(jìn)行無(wú)害化處理。
得到的C/C板材的密度為1.70g/cm3。
實(shí)施例2 制備厚度為5mm的C/C板材采用的裝置、骨架及安置方法同實(shí)施例1，并在熱解沉積爐子水冷壁內(nèi)側(cè)加裝活動(dòng)保溫層(10)(見(jiàn)圖6)。
采用的反應(yīng)氣體是丙烷作碳源和純氮作稀釋氣體。反應(yīng)氣體中碳?xì)錃怏w的濃度為90％，反應(yīng)氣體流量為2.0m3/h，起始溫度600℃，恒溫沉積1小時(shí)，然后升溫至1100℃，沉積時(shí)間4小時(shí)。
得到的C/C板材的密度為1.75g/cm3。
實(shí)施例3 制備尺寸1000×200×40mm的C/C棒材在兩側(cè)壁裝有水冷套(3)而其余四壁安裝保溫層(8)的長(zhǎng)方體熱解沉積爐(見(jiàn)圖1)中，將骨架炭氈(1)夾在兩石墨電極(3)之間作發(fā)熱體(見(jiàn)圖2)。在熱解沉積爐內(nèi)充滿惰性氣體，沿長(zhǎng)度方向給骨架炭氈(1)通電升溫，達(dá)到預(yù)定溫度后，從下方導(dǎo)入反應(yīng)氣體，整個(gè)沉積過(guò)程在微正壓下進(jìn)行。
采用冷壁沉積，首先設(shè)置低溫沉積平臺(tái)，即450℃，恒溫沉積10小時(shí)，然后，15小時(shí)升溫至1000～1200℃。
采用的骨架炭氈(1)是炭纖維針刺炭氈，密度為0.25g/cm3。
采用的反應(yīng)氣體是民用液化氣作碳源和氬氣作稀釋氣體。反應(yīng)氣體中碳?xì)錃怏w的濃度為60％，反應(yīng)氣體流量為2.5m3/h。
得到的C/C板材的密度為1.60g/cm3。
權(quán)利要求
1.一種高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法，以炭纖維骨架自身為發(fā)熱體，以碳?xì)錃怏w為反應(yīng)氣體，進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，其特征在于a)所述骨架兩端與電極相連接，沿其長(zhǎng)度或?qū)挾确较蛲?，在其寬度或長(zhǎng)度方向的兩邊緣給以溫度補(bǔ)償，使其表面溫度處處相等，其厚度兩側(cè)處于冷的外部環(huán)境中，使發(fā)熱后的炭纖維骨架沿厚度方向的中心層到其兩側(cè)面形成溫度梯度，以實(shí)現(xiàn)沉積帶從中心層逐漸向兩側(cè)面移動(dòng)；b)沉積過(guò)程從炭纖維骨架表面溫度350～600℃開(kāi)始，到1000～1200℃終止。
2.按照權(quán)利要求1所述的高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述反應(yīng)氣體是碳?xì)錃怏w和惰性氣體的混合物，反應(yīng)氣體中碳?xì)錃怏w的濃度為50～100％，反應(yīng)氣體的流量，按照最大板材尺寸計(jì)，為每平方米骨架1～10m3/h。
3.按照權(quán)利要求1所述的高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的炭纖維骨架是炭纖維針刺炭氈、炭纖維長(zhǎng)絲鋪層針刺炭氈、炭纖維無(wú)緯布層疊針刺炭氈等，其密度在0.15g/cm3以上。
4.按照權(quán)利要求1所述的高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的反應(yīng)氣體的碳?xì)錃怏w是民用液化氣、民用管道天然氣、丙烷、乙炔、甲烷等任何一種，反應(yīng)氣體的惰性氣體是氮?dú)?、氬氣等任何一種。
5.按照權(quán)利要求1所述的高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法，其特征在于在所述沉積制備過(guò)程中，采用防止骨架彎曲變形的夾具。
6.按照權(quán)利要求1所述的高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法，其特征在于在所述沉積制備過(guò)程中，設(shè)置低溫沉積平臺(tái)，350～600℃，時(shí)間為1～30小時(shí)。
7.按照權(quán)利要求6所述的高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法，其特征在于制備較小尺寸的炭/炭板材時(shí)，即沉積后期能滿足供電時(shí)，所述恒溫沉積的時(shí)間為2～30小時(shí)，然后在10～25小時(shí)升至1000～1200℃進(jìn)行升溫沉積。
8.按照權(quán)利要求6所述的高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法，其特征在于制備較大尺寸的炭/炭復(fù)合材料板材時(shí)，即沉積后期不能滿足供電，所述恒溫沉積的時(shí)間為2～30小時(shí)，然后在6～20小時(shí)升至700～850℃進(jìn)行升溫沉積；再進(jìn)行保溫沉積，起始溫度為700～850℃，終止溫度為1000～1200℃，沉積時(shí)間4～10小時(shí)。
9.按照權(quán)利要求6所述的高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法，其特征在于制備厚度較薄的炭/炭復(fù)合材料板材時(shí)，即初始功率不夠，通電后達(dá)不到沉積反應(yīng)溫度，所述恒溫沉積在保溫條件下進(jìn)行，時(shí)間為1～5小時(shí)，然后在3～10小時(shí)升至1000～1200℃進(jìn)行升溫沉積。
10.按照權(quán)利要求1～9之一所述的高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法，其特征在于在整個(gè)沉積過(guò)程中，所述的反應(yīng)氣體在微正壓下進(jìn)入和流經(jīng)沉積區(qū)，流經(jīng)沉積區(qū)的反應(yīng)氣體排出后再進(jìn)行無(wú)害化處理。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高密度炭/炭復(fù)合材料的制備方法，以炭纖維骨架自身為發(fā)熱體，以碳?xì)錃怏w為反應(yīng)氣體，進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，其特征在于所述骨架兩端與電極相連接，沿其長(zhǎng)度或?qū)挾确较蛲姡谄鋵挾然蜷L(zhǎng)度方向的兩邊緣給以溫度補(bǔ)償，使其表面溫度處處相等，其厚度兩側(cè)處于冷的外部環(huán)境中，使發(fā)熱后的炭纖維骨架沿厚度方向的中心層到其兩側(cè)面形成溫度梯度，以實(shí)現(xiàn)沉積帶從中心層逐漸向兩側(cè)面移動(dòng)；沉積過(guò)程從炭纖維骨架表面溫度350～600℃開(kāi)始，到1000～1200℃終止。該制備方法的優(yōu)點(diǎn)在于生產(chǎn)周期短，耗電量少，制備成本更低，可以批量生產(chǎn)大尺寸板材；而且整個(gè)制備過(guò)程在微正壓下進(jìn)行，對(duì)設(shè)備要求不高，投資小，滿足環(huán)保要求。
文檔編號(hào)C04B35/52GK1814575SQ20051004584
公開(kāi)日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2005年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月5日
發(fā)明者胡剛 申請(qǐng)人:胡剛