專利名稱：一種制備大尺寸機械密封用各向同性熱解炭材料的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及機械密封材料的制備技術(shù)，具體為一種制備大尺寸機械密封用各向同性熱解炭材料的設(shè)備。
背景技術(shù)：
各向同性熱解炭(Isotropic pyrolytic carbon)材料是利用化學氣相沉積方法(chemical vapor deposition--CVD)制備的一種高性能碳質(zhì)材料，由于其結(jié)構(gòu)致密、晶粒尺寸小，因此除具備一般碳質(zhì)材料的耐高溫、潤滑、耐磨損、生物相容性好等共性優(yōu)點外，還具有強度高、不透氣、可加工性能優(yōu)良等特點，不需任何浸漬等后處理就可直接用做高性能機械密封組件，其強度、耐磨、密封性能、生物相容性、可加工性能等都大大優(yōu)于傳統(tǒng)碳質(zhì)材料。目前這種新型炭材料作為涂層材料已在原子能工業(yè)和生物工程中得到廣泛應用。但由于通常采用小型流化床工藝或轉(zhuǎn)動床工藝，受到反應器尺寸小、沉積時間短、沉積條件不穩(wěn)定等條件的制約，只能制備直徑小于30毫米，厚度小于2毫米的各向同性熱解炭涂層，限制了各向同性熱解炭材料作為機械密封材料在航天、航空、船舶等領(lǐng)域的應用。
實用新型內(nèi)容為了克服上述不足，本實用新型的目的在于提供一種能夠生產(chǎn)大尺寸機械密封用各向同性熱解炭材料的設(shè)備。
本實用新型的技術(shù)方案是一種制備大尺寸機械密封用各向同性熱解炭材料的設(shè)備，具有中頻感應電源、水冷系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、沉積裝置、氣體流量控制和尾氣處理系統(tǒng)，其特征在于所述沉積裝置為石墨錐形流化床沉積裝置，沉積裝置的反應器上裝有旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，由旋轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)動的沉積基體安裝于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的主軸上，反應器上方設(shè)有粒子添加器，與反應器連通，反應器下方設(shè)有粒子搜集器，與反應器連通，反應器下端開口處設(shè)有氣體分配板，氣體分配板中心設(shè)有倒錐形開口。
所述沉積裝置的反應器內(nèi)徑為180-300毫米。
所述氣體分配板的錐角α為30-45度。
所述粒子添加器開有氣體進口。
所述粒子搜集器開有氣體進口。
本實用新型的優(yōu)點及有益效果是本實用新型設(shè)計了沉積基體旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、粒子添加器和粒子搜集器。這些設(shè)計實現(xiàn)了各向同性熱解炭材料在沉積基體上的連續(xù)、穩(wěn)態(tài)和長時間沉積，為制備大尺寸機械密封用各向同性熱解炭材料奠定了基礎(chǔ)。


圖1為本實用新型設(shè)備示意圖。
圖2為本實用新型大型穩(wěn)態(tài)流化床沉積裝置示意圖。
圖3為Φ108毫米×φ118毫米×20毫米的各向同性熱解炭材料環(huán)。
圖4為各向同性熱解炭材料正交偏光200倍金相照片。
具體實施方式
本實用新型設(shè)備利用化學氣相沉積工藝制備各向同性熱解炭材料。圖1是設(shè)備示意圖，主要分為中頻感應電源、水冷系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、沉積裝置、氣體流量控制和尾氣處理系統(tǒng)六部分。2500Hz中頻感應電源通過感應線圈2對沉積裝置進行加熱，用光電高溫計、溫控系統(tǒng)測量和調(diào)控沉積溫度。沉積裝置是石墨錐形流化床沉積裝置。碳氫氣體為甲烷、丙烷、丙烯或乙烯等，稀釋和載帶氣體為氫氣、氬氣或氮氣等，氣體的流量由流量計和針閥測量控制。生產(chǎn)時需要水冷系統(tǒng)對電源和沉積裝置進行冷卻。反應產(chǎn)生的尾氣由尾氣處理系統(tǒng)處理。
該設(shè)備的核心是我們開發(fā)的大型穩(wěn)態(tài)流化床沉積裝置，如圖2所示。反應器6內(nèi)徑為180-300毫米，反應器6下端開口處設(shè)有氣體分配板7，氣體分配板7中心設(shè)有倒錐形開口，氣體分配板7錐角α為30-45度，其作用是實現(xiàn)床層粒子流態(tài)化。由旋轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)動的沉積基體安裝于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的主軸上，沉積基體4通過速度可控的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)3驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。碳氫氣體和載氣吹動直徑為0.4-1.5毫米的Al2O3或ZrO2空心球(床層粒子)在反應器內(nèi)形成流態(tài)化。碳氫氣體在高溫下裂解，在沉積基體4上沉積生成各向同性熱解炭材料。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)3解決了大尺寸沉積基體在反應器中的放置問題，保證了沉積基體在沉積過程中始終處于流態(tài)化床層粒子5的包圍之中。在沉積過程中通過反應器6下部的粒子搜集器8和反應器6上部的粒子添加器1來實現(xiàn)床層粒子的穩(wěn)定更換，通過粒子添加器1和粒子搜集器8可以連續(xù)的向流化床內(nèi)加入或放出床層粒子5，進粒子量通過調(diào)節(jié)粒子添加器1電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)，粒子添加器1開有氣體進口，進粒子量通過調(diào)節(jié)粒子添加器1的氣流(氫氣、氬氣或氮氣等)來調(diào)節(jié)，粒子搜集器8開有氣體進口，出粒子量通過調(diào)節(jié)粒子搜集器8的氣流(氫氣、氬氣或氮氣等)來調(diào)節(jié)，實時的保持床層面積、流態(tài)化狀態(tài)等工藝參數(shù)的穩(wěn)定。通過以上的設(shè)計，實現(xiàn)了各向同性熱解炭材料在該裝置中的長時間穩(wěn)定沉積，從而可獲得最大直徑為170毫米，最大厚度為15毫米的各向同性熱解炭材料。
圖3是利用該設(shè)備制備得到的環(huán)狀各向同性熱解炭材料樣品的宏觀照片。其規(guī)格為內(nèi)徑×外徑×高度為Φ108毫米×Φ118毫米×20毫米。
圖4是各向同性熱解炭材料的偏光金相照片，材料均勻致密，具有非光學活性。
權(quán)利要求1.一種制備大尺寸機械密封用各向同性熱解炭材料的設(shè)備，具有中頻感應電源、水冷系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、沉積裝置、氣體流量控制和尾氣處理系統(tǒng)，其特征在于所述沉積裝置為石墨錐形流化床沉積裝置，沉積裝置的反應器(6)上裝有旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(3)，由旋轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)動的沉積基體(4)安裝于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的主軸上，反應器(6)上方設(shè)有粒子添加器(1)，與反應器(6)連通，反應器(6)下方設(shè)有粒子搜集器(8)，與反應器(6)連通，反應器(6)下端開口處設(shè)有氣體分配板(7)，氣體分配板(7)中心設(shè)有倒錐形開口。
2.按照權(quán)利要求1所述制備大尺寸機械密封用各向同性熱解炭材料的設(shè)備，其特征在于所述沉積裝置的反應器內(nèi)徑為180-300毫米。
3.按照權(quán)利要求1所述制備大尺寸機械密封用各向同性熱解炭材料的設(shè)備，其特征在于所述氣體分配板的錐角α為30-45度。
4.按照權(quán)利要求1所述制備大尺寸機械密封用各向同性熱解炭材料的設(shè)備，其特征在于所述粒子添加器開有氣體進口。
5.按照權(quán)利要求1所述制備大尺寸機械密封用各向同性熱解炭材料的設(shè)備，其特征在于所述粒子搜集器開有氣體進口。
專利摘要本實用新型涉及一種制備大尺寸機械密封用各向同性熱解炭材料的設(shè)備，具有中頻感應電源、水冷系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、沉積裝置、氣體流量控制和尾氣處理系統(tǒng)，所述沉積裝置為石墨錐形流化床沉積裝置，沉積裝置的反應器上裝有旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，由旋轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動轉(zhuǎn)動的沉積基體安裝于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的主軸上，反應器上方設(shè)有粒子添加器，與反應器連通，反應器下方設(shè)有粒子搜集器，與反應器連通，反應器下端開口處設(shè)有氣體分配板，氣體分配板中心設(shè)有倒錐形開口。本實用新型設(shè)計了沉積基體旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、粒子添加器和粒子搜集器。這些設(shè)計實現(xiàn)了各向同性熱解炭材料在沉積基體上的連續(xù)、穩(wěn)態(tài)和長時間沉積，為制備大尺寸機械密封用各向同性熱解炭材料奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號C23C16/26GK2753743SQ20042011364
公開日2006年1月25日 申請日期2004年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月24日
發(fā)明者白朔, 徐紅軍, 吳峻峰, 周序科, 周金玉 申請人:中國科學院金屬研究所