專利名稱：一種高效節(jié)能快速沉積制備碳/碳復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料的制備技術(shù)，特別提供了一種高效節(jié)能快速沉積制備碳/碳復(fù)合材料的方法。
纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料一般是采用化學(xué)氣相滲工藝制備的，現(xiàn)有的常用方法有如下三種1．均熱法。纖維增強(qiáng)骨架(或稱預(yù)制體)放在均熱空間里，反應(yīng)氣體從骨架表面流過并擴(kuò)散到內(nèi)部，同樣，反應(yīng)氣體副產(chǎn)物也必須從樣品內(nèi)部擴(kuò)散出來隨同氣流排除爐外。這種方法容易在樣品表面上形成涂層，其原因是進(jìn)入骨架內(nèi)反應(yīng)氣體的濃度逐漸降低，而反應(yīng)副產(chǎn)物的濃度在骨架內(nèi)逐漸增加。這種方法需要中間停頓幾次，加工去掉表面的硬殼。用均熱法制備的材料具有密度梯度。由于擴(kuò)散很慢，這種方法需要很長的滲透時間。盡管時間很長，均熱法還是一種最通用的方法，因為它在同一爐內(nèi)可制備形狀大小各異、厚薄不等的各種部件。均熱法已大量地被用來制造C/C復(fù)合材料飛機(jī)剎車片，同時在航天領(lǐng)域也用它制造SiC纖維增強(qiáng)SiC基復(fù)合材料。
2．熱梯度法。被滲透的部件由一個加熱的芯子支撐，部件的最熱的部分是同芯子直接相接觸的內(nèi)表面，它的低密度外表面暴露在冷的環(huán)境中，所以沿著樣品厚度將產(chǎn)生一個溫度梯度。反應(yīng)氣體在樣品冷表面流過并朝著熱表面方向向里擴(kuò)散，因為沉積速度通常隨著溫度呈指數(shù)增加，在反應(yīng)氣體未擴(kuò)散到熱表面之前，明顯的沉積是不會發(fā)生的。隨著熱表面附近沉積的進(jìn)行，孔隙度降低，引起了被滲的部分熱導(dǎo)率增加。熱導(dǎo)率的變化使得預(yù)成型大面積被加熱，當(dāng)溫度達(dá)到足夠高時就可發(fā)生沉積，因此，這種方式的沉積是從樣品的熱表面逐漸向冷表面進(jìn)行。在滲透過程中，為了使預(yù)成型獲得足夠高的沉積溫度，通常要把熱表面的溫度不時地增加。一般說來，滲透可在一個大氣壓下進(jìn)行，芯子溫度控制在1100～1300℃。這種方法可消除表面硬殼，因為靠近芯子的纖維沉積的比較快，而外邊的纖維很少或沒有發(fā)生沉積，滲透到最終，可以把冷表面磨去或用其它方法把未充分沉積的材料去掉。金屬研究所采用常壓CVI法，在100小時內(nèi)，制備出內(nèi)徑160，長310，壁厚20左右碳?xì)謭@筒C/C復(fù)合材料，密度達(dá)1.6g/cm3。
3．均熱-強(qiáng)制氣流法(壓力梯度法)。樣品被均勻加熱，反應(yīng)氣體強(qiáng)制通過樣品，沉積發(fā)生在整個預(yù)成型內(nèi)，這種類型的沉積一直到預(yù)成型的某些區(qū)域達(dá)到足夠高的密度使其不能滲透時才會停止。沉積容易發(fā)生在樣品進(jìn)氣端的外表面，因為這里反應(yīng)氣體濃度大，不管什么位置，只要形成不透區(qū)域它就會阻礙它的下游進(jìn)一步致密化，滲透過程就會停止。
本發(fā)明的目的在于提供一種制備碳/碳復(fù)合材料的方法，其沉積速度快，沉積密度高，節(jié)省能源，并且操作簡單，設(shè)備投資小。
本發(fā)明提供了一種高效節(jié)能快速沉積制備碳/碳復(fù)合材料的方法，其特征在于將碳纖維增強(qiáng)骨架置于一冷的外部環(huán)境中，利用碳纖維增強(qiáng)骨架自身電阻，在電流直接作用下使其發(fā)熱，反應(yīng)氣體流過增強(qiáng)骨架。
本發(fā)明中碳纖維增強(qiáng)骨架的沉積溫度最好在1000～1300℃。反應(yīng)氣體可以為以Ar、N2稀釋的碳?xì)錃怏w，氣體濃度1％～10％體積，反應(yīng)氣體流量為0.5～1.5m3/h·m2。增強(qiáng)骨架還可以為SiC等陶瓷纖維。
本發(fā)明可以采用水冷爐壁制造冷的外部環(huán)境，利用碳纖維增強(qiáng)骨架自身電阻，在電流直接作用下而發(fā)熱。由于增強(qiáng)骨架外表面靠近水冷爐壁，加之氣流的不斷流動，使增強(qiáng)骨架內(nèi)外表面產(chǎn)生一定的溫差，靠氣體擴(kuò)散作用，反應(yīng)氣體鉆進(jìn)骨架內(nèi)部進(jìn)行沉積，增密過程從里至外逐漸進(jìn)行，最終達(dá)到整體材料致密化，沉積可在常壓下進(jìn)行。本發(fā)明具有以下幾個特點1．靠增強(qiáng)骨架本身電阻發(fā)熱，提供的熱量直接供給反應(yīng)氣體的分散與沉積，與其它輻射、感應(yīng)加熱法相比，能源大大節(jié)省。沉積優(yōu)先發(fā)生在樣品的最熱區(qū)，隨著沉積過程的進(jìn)行，樣品從里至外逐漸被致密化，電流也不斷增大，從電流變化即可看出材料增密的情況。
2．在冷壁與氣流的綜合作用下，樣品內(nèi)外表面有一定的溫差，外表面始終處于較低的溫度，隨著沉積過程的推進(jìn)，外表面溫度逐漸升高，最終達(dá)到沉積狀態(tài)，整個沉積過程中只有鉆進(jìn)樣品孔隙內(nèi)的反應(yīng)氣體才達(dá)到分解沉積狀態(tài)，其余氣體只起到表面冷卻作用，本發(fā)明方法大大減少了氣體空間反應(yīng)，始終保持新鮮氣體進(jìn)行沉積，沉積是高效的。
3．由于采用冷壁法，樣品直接通電加熱，不需保溫，樣品本身熱容量較小，升溫快，降溫快，沉積在常壓下進(jìn)行，可隨時停電降溫，檢查沉積情況，還可隨意改變工藝參數(shù)，操作非常簡便。
4．對原料氣體沒有特殊要求，除了通常用的碳?xì)錃怏w外，還可以用液化石油氣，增強(qiáng)骨架只要導(dǎo)電即可。
5．本發(fā)明除了能制備板材外，還可以制備各種管材，除了制備C/C材料之外，還可以制備C-SiC系列的其它熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。
總之，被沉積的樣品本身就是發(fā)熱元件，在水冷爐壁與冷氣流綜合作用下，樣品內(nèi)外表面有一定溫度梯度，沉積從里至外逐漸進(jìn)行，由電流的變化不僅能看出增密的情況，還可以通過調(diào)整電流的變化速率或移動電偶，控制沉積帶的移動速度。本發(fā)明既能制備出全致密的復(fù)合材料，也可以制備出變密度復(fù)合材料，既能制備平版樣品，還可以制備種管材。下面通過附圖結(jié)合實施例詳述本發(fā)明。
附

圖1為平板狀樣品沉積設(shè)備示意圖。
附圖2為圓筒式樣品沉積設(shè)備示意圖。
實施例1．以200×75×22mm，密度為0.2的市售碳?xì)譃樵鰪?qiáng)骨架，沿長度方向通電，采用氬氣和石油液化氣作為原料氣體，氬氣流量0.005m3/h，液化氣流量1.0g/cm3，溫度在20小時之內(nèi)從1000℃升高到1300℃，材料密度達(dá)到1.7g/cm3。
實施例2．以200×75×22mm，密度為0.25的市售中間夾有無紡布的碳?xì)譃樵鰪?qiáng)骨架，沿長度方向通電，采用氬氣和石油液化氣作為原料氣體，氬氣流量0.005m3/h，液化氣流量1.0g/cm3，溫度在20小時之內(nèi)從1000℃升高到1300℃，材料密度達(dá)到1.7g/cm3。
實施例3．以200×75×35mm，密度為0.5的市售中間夾有10層平紋編織碳布的碳?xì)譃樵鰪?qiáng)骨架，沿長度方向通電，采用氬氣和石油液化氣作為原料氣體，氬氣流量0.005m3/h，液化氣流量1.0g/cm3，溫度在30小時之內(nèi)從1000℃升高到1300℃，材料密度達(dá)到1.7g/cm3。
權(quán)利要求
1．一種高效節(jié)能快速沉積制備碳/碳復(fù)合材料的方法，其特征在于將碳纖維增強(qiáng)骨架置于一冷的外部環(huán)境中，利用碳纖維增強(qiáng)骨架自身電阻，在電流直接作用下使其發(fā)熱，反應(yīng)氣體流過增強(qiáng)骨架。
2．按照權(quán)利要求1所述高效節(jié)能快速沉積制備碳/碳復(fù)合材料的方法，其特征在于碳纖維增強(qiáng)骨架的溫度1000～1300℃。
3．按照權(quán)利要求1或2所述高效節(jié)能快速沉積制備碳/碳復(fù)合材料的方法，其特征在于反應(yīng)氣體為以Ar、N2稀釋的碳?xì)錃怏w，氣體濃度1％～10％本積，反應(yīng)氣體流量為0.5-1.5m3/h·m2。
4．按照權(quán)利要求1或2所述高效節(jié)能快速沉積制備碳/碳復(fù)合材料的方法，其特征在于增強(qiáng)骨架為SiC。
全文摘要
一種高效節(jié)能快速沉積制備碳/碳復(fù)合材料的方法,其特征在于:將碳纖維增強(qiáng)骨架置于一冷的外部環(huán)境中,利用碳纖維增強(qiáng)骨架自身電阻,在電流直接作用下使其發(fā)熱,反應(yīng)氣體流過增強(qiáng)骨架。本發(fā)明沉積速度快,沉積密度高,節(jié)省能源,并且操作簡單,設(shè)備投資小。
文檔編號C04B35/83GK1300726SQ99122649
公開日2001年6月27日 申請日期1999年12月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月17日
發(fā)明者劉文川, 鄧景屹, 杜海峰, 劉方 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所