一種直熱法快速沉積制備c/c復(fù)合材料的方法及沉積爐的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制備C/C復(fù)合材料的工藝，具體為直熱法快速沉積制備C/C復(fù)合材料的方法，屬于C/C復(fù)合材料制備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]炭/炭復(fù)合材料，即以碳纖維(簡(jiǎn)稱(chēng)CF)增強(qiáng)碳基體所組成的復(fù)合材料，是目前極少數(shù)可在2000°C以上保持較高力學(xué)性能的材料之一，它具有低密度、高比強(qiáng)、高比模、低熱膨脹系數(shù)、耐熱沖擊、耐燒蝕、耐含固體微粒燃?xì)獾臎_刷等一系列優(yōu)異性能，尤其是這種材料的強(qiáng)度隨溫度的升高不降反升的獨(dú)特性能，使其作為航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域熱結(jié)構(gòu)件使用具有其它材料難以比擬的優(yōu)勢(shì)。是目前公認(rèn)的最有發(fā)展前途的高溫結(jié)構(gòu)材料之一。C/C復(fù)合材料除用于飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)外，近年來(lái)在熱壓模具、多晶硅/單晶硅冶煉托盤(pán)、工業(yè)電爐發(fā)熱體、電路的導(dǎo)熱極板，高溫連接堅(jiān)固件等工業(yè)領(lǐng)域，也呈現(xiàn)出逐年擴(kuò)大的用量。
[0003]電熱法化學(xué)氣相沉積(ECVI)工藝是對(duì)預(yù)制體直接通電加熱，利用預(yù)制體自身的導(dǎo)電性達(dá)到沉積溫度的目的，碳源氣體通入其中在預(yù)制體內(nèi)部熱解沉積。由于預(yù)制體的發(fā)熱和冷卻的作用，外部氣流和冷壁的作用，使其內(nèi)外表面形成了一定的溫度梯度預(yù)制體中心溫度高，沉積優(yōu)先在中心發(fā)生，最終達(dá)到整體致密化。而整個(gè)沉積爐被沒(méi)有進(jìn)行抽真空作用，而是在微正壓的情況下進(jìn)行，所以比一般在負(fù)壓CVI滲透的速率要快很多。碳?xì)直煌姇r(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電壓大小來(lái)控制沉積溫度，在沉積開(kāi)始后也可以根據(jù)電流變化看出材料增密情況。該方法沉積速度快，沉積密度高，節(jié)省能源，操作簡(jiǎn)單，設(shè)備投資小，可隨時(shí)斷電檢查沉積情況，且對(duì)預(yù)制體尺寸形狀要求低，只需導(dǎo)電即可。
[0004]ECVI是一種建立在熱梯度法微正壓基礎(chǔ)上制備C /C復(fù)合材料和其它金屬基復(fù)合材料的新工藝，新工藝有利于工藝的簡(jiǎn)化，反應(yīng)效率的提高，制備出性能更佳的C/C復(fù)合材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明綜合熱梯度法，電熱法，微正壓法三種方法的優(yōu)勢(shì)，目的在于提供一種直熱法快速沉積制備C/C復(fù)合材料的方法，解決傳統(tǒng)工藝中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，同時(shí)降低成本。
[0006]本發(fā)明采用下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。一種直熱法快速沉積制備C/C復(fù)合材料的方法，其特征在于，將制備的預(yù)制體固定在沉積爐內(nèi)，使預(yù)制體通電加熱，由預(yù)制體發(fā)熱產(chǎn)生的熱量使碳源氣體達(dá)到熱解溫度，以裂解碳源氣體，進(jìn)行沉積致密化，最后對(duì)致密化的材料進(jìn)行石墨化制得C/C復(fù)合材料。
[0007]進(jìn)一步改進(jìn)，在預(yù)制體兩端進(jìn)行化學(xué)鍍或電鍍鎳或銅，以增加其導(dǎo)電性，降低兩端的電阻。
[0008]作為優(yōu)選，使用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，且使?fàn)t內(nèi)保持微正壓。
[0009]作為優(yōu)選，所述碳源氣體為甲烷、乙炔或丙烯。
[0010]作為優(yōu)選，沉積反應(yīng)溫度控制在700~1100°C。
[0011]作為優(yōu)選，隨著碳源氣體分解，沉積到預(yù)制體內(nèi)部，預(yù)制體的本身電阻會(huì)變小，從而導(dǎo)致發(fā)熱量減少，通過(guò)調(diào)節(jié)電源，控制一定的電源功率，使得反應(yīng)溫度控制在700?1100 °C O
[0012]作為選擇，氮?dú)夂吞荚礆怏w可以分別通入爐內(nèi)，也可以配成混合氣體通入爐內(nèi)。
[0013]本發(fā)明中，沉積爐包括反應(yīng)室，優(yōu)選反應(yīng)室兩邊是用于固定的法蘭座和卡盤(pán)，采用快裝卡箍固定法蘭座和卡盤(pán)，同一端法蘭座和卡盤(pán)之間設(shè)置有密封圈，反應(yīng)室兩端經(jīng)由法蘭座和卡盤(pán)設(shè)置有進(jìn)氣口和出氣口，爐內(nèi)兩端安裝銅夾具，銅夾具通過(guò)銅導(dǎo)線接通電源。
[0014]作為優(yōu)選，該反應(yīng)室為石英玻璃管，亦可用不銹鋼管但應(yīng)留有玻璃可視窗口，
所述銅夾具是由具有彈性的銅片制作，底部連接銅導(dǎo)線，銅夾具和銅導(dǎo)線由絕緣體支撐在爐內(nèi)兩端。
[0015]在反應(yīng)室左右兩端內(nèi)側(cè)的法蘭由長(zhǎng)螺栓和螺釘相連，保證設(shè)備的固定，由于反應(yīng)室為石英玻璃材質(zhì)，因此能耐高溫且不與反應(yīng)室內(nèi)氣體發(fā)生反應(yīng)。
[0016]上述沉積爐兩端進(jìn)氣口和出氣口處可用螺紋連接接入氣體流量調(diào)節(jié)閥，經(jīng)由該調(diào)節(jié)閥精確控制反應(yīng)室內(nèi)的氣體流速，從而調(diào)節(jié)并控制沉積速度。
[0017]本發(fā)明的原理如下:在上述沉積過(guò)程中，碳源氣體是在遇高溫的情況下進(jìn)行分解成熱解炭，但熱解炭受多種因素影響。通過(guò)控制通電源功率的大小可以控制沉積溫度，控制溫度從而控制反應(yīng)速率。速率過(guò)慢，導(dǎo)致沉積時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，碳源和氮?dú)庥昧吭黾?，從而?dǎo)致成本增加。速率過(guò)快，預(yù)制體表面過(guò)早結(jié)殼，影響預(yù)制體最終沉積密度，另一方面沉積速率過(guò)快，可能會(huì)生產(chǎn)炭黑，影響復(fù)合材料性能。而控制氣體流量配比可以控制預(yù)制體表面氣相生長(zhǎng)的熱解炭的相對(duì)量。
[0018]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
(1)本發(fā)明采用的沉積爐，沉積在微正壓下進(jìn)行，多余的氣體起到表面冷卻作用，無(wú)需額外的水冷系統(tǒng)，設(shè)備投資小，安全性高；
(2)利用預(yù)制體自身的導(dǎo)電性，直接通電加熱，與其他沉積工藝相比較，能夠大大地節(jié)約能源，且無(wú)需保溫；
(3)通過(guò)調(diào)節(jié)電源的電壓或者電流，從而控制沉積溫度，進(jìn)一步控制致密化的速率，從而控制熱解炭的形態(tài)和類(lèi)型，設(shè)備易于控制，操作方便；
(4)預(yù)制體是由導(dǎo)電發(fā)熱達(dá)到反應(yīng)溫度，而預(yù)制體表面有反應(yīng)氣體通過(guò)，導(dǎo)致預(yù)制體中心溫度和表面溫度形成一定的梯度，往往從預(yù)制體中心向預(yù)制體表面沉積，防止預(yù)制體表面過(guò)早結(jié)殼阻止密度進(jìn)一步提高。
[0019](5)碳/碳復(fù)合材料的制備周期短、成本低、C/C復(fù)合材料的力學(xué)性能好。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為沉積爐示意圖。
[0021 ] 圖2預(yù)制體表面沉積熱解炭的SEM形貌。
[0022]圖標(biāo)說(shuō)明:1、進(jìn)氣口 2、銅導(dǎo)線 3、預(yù)制體 4、反應(yīng)室 5、法蘭座6、銅夾具 7、卡箍 8、密封圈 9、卡盤(pán) 10、氣體流量調(diào)節(jié)閥 11、出氣口。
【具體實(shí)施方式】
[0023]如圖1所示為本發(fā)明中的沉積爐，該沉積爐包括反應(yīng)室4，優(yōu)選該反應(yīng)室為石英玻璃管，亦可用不銹鋼管但應(yīng)留有玻璃可視窗口，反應(yīng)室4兩邊是用于固定的法蘭座5和卡盤(pán)9，采用快裝卡箍7固定法蘭座和卡盤(pán)9，同一端法蘭座和卡盤(pán)之間設(shè)置有密封圈8，反應(yīng)室4兩端經(jīng)由法蘭座5和卡盤(pán)9設(shè)置有進(jìn)氣口 I和出氣口 11，爐內(nèi)兩端安裝銅夾具6，銅夾具6通過(guò)銅導(dǎo)線接通電源。
[0024]銅夾具6是由具有彈性的銅片制作，底部連接銅導(dǎo)線2，銅夾具6和銅導(dǎo)線2由絕緣體支撐在爐內(nèi)兩端。
[0025]在反應(yīng)室4左右兩端內(nèi)側(cè)的法蘭由長(zhǎng)螺栓和螺釘相連，保證設(shè)備的固定，由于反應(yīng)室4為石英玻璃材質(zhì)，因此能耐高溫且不與反應(yīng)室內(nèi)氣體發(fā)生反應(yīng)。
[0026]上述沉積爐兩端進(jìn)氣口 I和出氣口 11處可用螺紋連接接入氣體流量調(diào)節(jié)閥10，經(jīng)由該調(diào)節(jié)閥精確控制反應(yīng)室內(nèi)的氣體流速，從而調(diào)節(jié)并控制沉積速度，同時(shí)經(jīng)由沉積爐兩端的進(jìn)氣口 I和出氣口 11可接入電極，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入功率可以快速改變沉積溫度，無(wú)需升溫及保溫過(guò)程，加熱速度快，大大縮短了沉積時(shí)間，提高了沉積效率，也可隨時(shí)調(diào)節(jié)沉積溫度。
[0027]具體地，本發(fā)明的沉積爐兩端漏氣不超過(guò)0.2Pa/min，沉積在微正壓進(jìn)行，沉積過(guò)程中，未參與裂解反應(yīng)的碳源氣體及稀釋氣體氮?dú)饽軌蚱鸬奖砻胬鋮s的作用，帶走周邊熱量，無(wú)需水冷系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了設(shè)備，降低了成本。
[0028]采用整體針刺氈作為預(yù)制體，預(yù)制體的尺寸為500X200X5mm。預(yù)制體是由碳纖維無(wú)瑋布或經(jīng)編有瑋布平面方向增強(qiáng)，結(jié)合短碳纖維填充