专利名称：大型热压模具阴模及其制造方法
技术领域：
本发明涉及热压烧结特种陶瓷、陶瓷基复合材料、粉末冶金产品等先进材料的生产工艺中必备的石墨热压模具。
背景技术：
热压烧结是特种陶瓷、陶瓷基复合材料、粉末冶金产品等先进材料烧结工艺中十分重要的一种。热压烧结样品是各种烧结方式中制品性能最好的一种工艺措施，有些特殊用途的材料及器件只能采用热压烧结工艺制造。
热压烧结工艺中，被烧结的粉末预先成型或不经预先成型直接放入石墨等材料制成的模具中，然后将整个系统放入热压烧结炉内部。在升温烧结的同时，由热压烧结炉外的液压活塞推动加压头移动，对被烧结样品产生很大的机械压力，在此压力和高温的共同作用下，被烧结粉末收缩烧结成与模具容腔形状一致的致密块体材料样品。如图1所示。由于有很大的机械压力作用，该工艺能使原来很难甚至不能烧结的材料烧结成致密块体，使烧结体具有最高的性能。
现有的热压模具一般由石墨材料制成。因为热压过程要经历很高的温度，因此要求模具材料在高温下依然要保持较高的强度，尤其是在1000℃以上的高温区。石墨材料是比较理想的热压模具材料。1600℃以上，石墨材料是唯一可用的热压模具材料。
能够制造热压模具的石墨属高强石墨，耐压强度一般在60Mpa以上，抗折强度在35Mpa以上。由于其抗折(抗拉)强度较低，因此热压模具的阴模往往较厚(一般大于40毫米，而且模具尺寸越大其厚度越厚)以此来降低热压过程中阴模裂开的危险性，提高安全系数。但是高强石墨制备困难，价格很高，棒材直径越大越困难，实际使用时，高强石墨棒材直径大于650毫米的已经很难得到了。因此用传统的石墨原材料制备热压模具阴模内径大于500毫米几乎是不可能的，即使勉强制造出来，其使用过程中破裂的几率也是相当大的。
如图1所示，热压模具使用过程中，阴模受到的破坏力主要是热压样品向外膨胀的力，对于烧结过程中有液相出现的时候，这种破坏力更加明显，甚至要接近样品受到的轴向压力(25～40Mpa)。这种胀力作用在阴模上就变成沿环向的张应力，一旦这种应力超过了阴模某局部的断裂强度，就将造成阴模的瞬间沿径向裂开，造成事故。
热压烧结作为一种制备工艺，在某些领域几乎是不可替代的，但热压工艺由于是间歇生产，生产效率较低。加大热压模具尺寸，提高每炉烧结材料的量是提高热压工艺生产效率的有效办法，另外在宇航和国防领域也需要大尺寸热压烧结陶瓷制品，因此实用中需要大尺寸的热压模具。
碳碳复合材料是以碳纤维为增强体，以碳作为基体的一类复合材料。碳碳复合材料性能优良广泛应用于航空、航天、核能等领域。碳碳复合材料制备方法很多，主要有浸渍、CVD(CVI)法、高压炭化法(PIC)及粉末烧结法。高性能碳碳复合材料制备工艺复杂，周期长，成本相当高。如浸渍法生产碳碳复合材料，预先要编织碳纤维织物，然后常常需要反复浸渍再炭化的工艺才能制得高密度的碳碳复合材料。
碳纤维增强树脂基复合材料是以碳纤维为增强体，以树脂为基体的一类性能非常好的先进复合材料。根据树脂基体的类型，可以分碳纤维增强热固性树脂和碳纤维增强热塑性树脂。以缠绕法制备碳纤维增强热固性树脂复合材料是一种特殊的获得高性能管状或罐状器件成熟方法。
缠绕法由于纤维基本同向排列，便于提高复合材料中纤维的体积分数，最有利于充分发挥增强纤维的高强性能，但由于其垂直与纤维方向抗张强度低，限制了其更广泛的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本较低的大型热压模具阴模及其制备方法。
本发明的技术方案如下1、大型热压模具阴模它是用碳碳复合材料制备的大尺寸、薄壁圆筒。
2、大型热压模具阴模的制备方法先以接近要制成的阴模内径的较小直径的普通石墨棒作内芯，在其上面缠绕浸渍过酚醛树脂、环氧树脂、环氧/甲阶酚醛树脂等热固性树脂的高强碳纤维纱或碳纤维薄层窄带，如图2所示，缠绕到15～50毫米的厚度后进行加热固化，使之形成碳纤维增强热固性树脂基复合材料壳层。然后将制得的棒材放入碳化、石墨化炉中进行碳化、石墨化，使原来的碳纤维增强热固性树脂基复合材料变成碳纤维增强热解碳材料。然后再全部挖去或留少量原石墨柱，形成厚度为20～50毫米厚的圆筒，然后利用普通车削方式加工成符合尺寸要求的热压模具的阴模。工艺流程如图3所示。
碳碳复合材料性能优良，已经在宇航、航空和国防工业中得到应用。碳碳复合材料在增强纤维方向抗拉强度可以达到150Mpa以上，而且使用安全，不会发生脆性断裂，因此如果将其应用在热压模具上将会获得非常好的效果。
本发明工艺中制备的碳碳复合材料，碳纤维方向基本都是环向排列，考虑到热压过程中阴模受到的破坏应力，环向排列的碳纤维正好补强了阴模的薄弱环节，充分发挥碳碳复合材料沿纤维方向抗张强度高的特点，这有利于实现用较薄的厚度来抵御热压过程中的胀力，实现阴模的薄壁化。本发明方法可以用较低的成本制备出大内径的(直径大于300毫米)、薄壁热压模具阴模。
图1为热压烧结模具结构示意图。
图2为本发明模具结构示意图。
图3为本发明模具制造工艺流程框图。
标号说明1阴模、2热压样品、3上压头、4下压头、5石墨芯模、6碳纤维纱或单向编织薄窄带、7浸胶槽、8碳纤维纱锭。
具体实施例方式本发明所述的碳碳复合材料制备的大尺寸、薄壁圆筒其内径大于200毫米，壁厚15～40毫米。
实施例1制备内径250毫米，壁厚20毫米，长度200毫米的阴模1)截取250毫米长，直径250毫米的普通电极石墨圆柱一段。将上述石墨圆柱中心钻直径30毫米通孔，用来安装转动轴。
2)将上述石墨圆柱安装在手摇转动架上，使之能随手摇柄转动并能有效制动。
3)将高强碳纤维纱锭固定在另一转动轴上，将碳纤维纱线绕过浸胶槽内部的滑轮，用胶(502胶之类)固定在石墨圆柱一端外缘上。浸胶槽内盛调制好的B阶酚醛丙酮乳液。
4)摇动手柄将浸过胶液的碳纤维纱以5公斤的张力缓慢紧密缠绕在石墨圆柱上，两端各留20毫米空白。一边缠绕一边以电热吹风机吹已经缠绕好的部分使其中丙酮溶剂挥发，酚醛乳液变成凝胶态，初步固化，逐步进行该过程使缠绕层厚度达到20毫米。
5)将缠绕好并经初步固化的石墨圆柱取下，用乳胶袋盛装并抽真空密封。放入烘干箱中150℃固化6小时。使树脂充分固化。
6)将固化好的样品放入真空烧结炉中，在氮气保护下碳化。碳化工艺每分钟升温5℃到500℃；然后每分钟升温1℃到700℃；然后每分钟升温2℃到900℃；
每分钟升温5℃到2000℃；冷却。
7)将碳化后的样品从烧结炉内取出，上外园磨床，加工外园到直径290毫米；将内部电极石墨挖掉大部分(直径240毫米)，再精车出圆锥度1∶50，最小直径245毫米的内孔，截去两端过渡部分。于是得到外径为290毫米，内部带有1∶50锥度，最小内径为245毫米，长200毫米的阴模。
8)该阴模与其他热压模具组件配合热压生产132×200×60mm3坯体，压力30Mpa，使用10次，没有发生损坏。
实施例2制备壁厚为15毫米，内径200毫米，长100毫米的圆筒1.截取一段普通电极石墨圆柱，将上述石墨圆柱中心钻一个通孔，用来安装转动轴；2.将上述石墨圆柱安装在手摇转动架上，使之能随手摇柄转动并能有效制动。
3.选择高强碳纤维窄带(只有经向碳纤维，纬向用稀疏的细棉纱线固定。该窄带市场有售，主要用来与环氧树脂胶结合来加固桥梁、大型建筑物的梁、柱、及剪力墙等关键结构)。窄袋幅宽小于100毫米，厚度小于0.5毫米.
4.将窄袋一端固定在准备好的石墨柱上，可以用502胶固定，也可以采用其他方式固定；并将窄带盘卷固定在另一转动轴上，该转动轴有可以调节转动阻力矩的装置(该装置类似于自行车刹车装置)。在石墨柱上用刮刀涂抹一层环氧树脂胶(E44加胺类固化剂)将碳纤维窄带缠绕在涂好胶的石墨柱上。调节碳纤维窄袋盘卷的轴上阻力矩，使碳纤维窄袋张力控制在20公斤。缠绕接近一圈后，用刮刀将多余的还有树脂胶刮掉，然后将已经缠绕上的碳纤维窄带上面再用刮刀刮涂一层环氧树脂胶，然后再转动手动摇柄，继续缠绕碳纤维窄带。如此反复进行上述过程，逐层缠绕碳纤维层。
5.按照4的工艺缠绕20～30层，3～5毫米左右厚，之后暂时停止缠绕，用电吹风加热已缠绕层使其开始固化。吹5～10分钟热风后改用冷风吹10分钟，吹冷风的目的是降低温度，减缓固化反应速度。然后再按4的工艺继续缠绕。每缠绕20～30层后进行一次冷热吹风，直至缠绕总厚度达到要求的尺寸。在本实施例中缠绕总厚度在12毫米左右。
6.将碳纤维窄带剪断，然后再用刮刀刮涂一层环氧胶。注意整个过程中盛放环氧树脂胶的容器要放在低温环境(10℃以下)以免树脂过早固化。
7.将缠绕好并经初步固化的石墨圆柱取下，用乳胶袋盛装并抽真空密封。放入烘干箱中100～150℃固化30分钟～4小时。使树脂充分固化。
8.将固化好的样品放入真空烧结炉中，在氮气保护下碳化。碳化工艺每分钟升温5℃到500℃；然后每分钟升温1℃到700℃；然后每分钟升温2℃到900℃；每分钟升温5℃到2000℃；冷却。
9.将碳化后的样品从烧结炉内取出，用磨床、车床进行加工内外园及端面，最后做成热压模具阴模；如上外园磨床，加工外园到直径230毫米；将内部电极石墨用车床挖掉大部分并将内径精加工致200毫米，再加工两端面，最后得到内径200毫米。外径230毫米，长100毫米的碳碳圆筒。改圆筒内圈为5毫米厚的普通电极石墨，外层为10毫米厚的碳碳复合材料。
10.将该阴模与其他热压模具组件配合，内部放置20毫米厚橡皮泥，在100吨压力机上加压力100吨，计算其压强约30Mpa，该阴模没有损坏。
权利要求
1.一种大型热压模具阴模，其特征在于它是用碳碳复合材料制备的大尺寸、薄壁圆筒。
2.根据权利要求1所述的大型热压模具阴模，其特征在于所述的大尺寸、薄壁圆筒其内径大于200毫米，壁厚15～50毫米。
3.根据权利要求1或2所述的大型热压模具阴模的制造方法，其特征在于其工艺步骤如下(1)先以接近要制成的阴模内径的较小直径的普通石墨棒作内芯，(2)在其上面缠绕浸渍过热固性树脂的高强碳纤维纱或碳纤维薄层窄带，缠绕到15～50毫米的厚度，(3)之后，进行加热固化，使之形成碳纤维增强热固性树脂基复合材料壳层，(4)将制得的棒材放入碳化、石墨化炉中进行碳化、石墨化，使原来的碳纤维增强热固性树脂基复合材料变成碳纤维增强热解碳材料，(5)然后再全部挖去或留少量原石墨柱，形成厚度为20～50毫米厚的圆筒，(6)利用普通车削方式加工成符合尺寸要求的热压模具的阴模。
4.根据权利要求3所述的大型热压模具阴模的制造方法，其特征在于所述的热固性树脂是酚醛树脂、或环氧树脂、或环氧/甲阶酚醛树脂中的一种。
5.根据权利要求4所述的大型热压模具阴模的制造方法，其特征在于其具体工艺步骤如下(1)截取一段普通电极石墨圆柱，将上述石墨圆柱中心钻一个通孔，用来安装转动轴；将上述石墨圆柱安装在手摇转动架上，使之能随手摇柄转动并能有效制动；(2)选择高强碳纤维窄带，窄袋幅宽小于100毫米，厚度小于0.5毫米；将窄袋一端固定在准备好的石墨柱上，并将窄带盘卷固定在另一转动轴上，该转动轴有可以调节转动阻力矩的装置；(3)在石墨柱上用刮刀涂抹一层环氧树脂胶，将碳纤维窄带缠绕在涂好胶的石墨柱上；调节碳纤维窄袋盘卷的轴上阻力矩，使碳纤维窄袋张力控制在20公斤；缠绕接近一圈后，用刮刀将多余的还有树脂胶刮掉，然后将已经缠绕上的碳纤维窄带上面再用刮刀刮涂一层环氧树脂胶，然后再转动手动摇柄，继续缠绕碳纤维窄带。如此反复进行上述过程，逐层缠绕碳纤维层；按照上述的工艺缠绕20～30层，3～5毫米左右厚，之后暂时停止缠绕，用电吹风加热已缠绕层使其开始固化；吹5～10分钟热风后改用冷风吹10分钟，吹冷风的目的是降低温度，减缓固化反应速度；然后再按上述的工艺继续缠绕；每缠绕20～30层后进行一次冷热吹风，直至缠绕总厚度达到要求的尺寸；将碳纤维窄带剪断，然后再用刮刀刮涂一层环氧胶；(4)将缠绕好并经初步固化的石墨圆柱取下，用乳胶袋盛装并抽真空密封；放入烘干箱中100～150℃固化30分钟～4小时，使树脂充分固化；(5)将固化好的样品放入真空烧结炉中，在氮气保护下碳化；碳化工艺每分钟升温5℃到500℃；然后每分钟升温1℃到700℃；然后每分钟升温2℃到900℃；每分钟升温5℃到2000℃，冷却；(6)将碳化后的样品从烧结炉内取出，用磨床、车床进行加工内外园及端面，最后做成热压模具阴模.
全文摘要
本发明公开了一种大型热压模具阴模及其制造方法，本阴模采用普通电极石墨外加碳碳复合材料制备工艺，制备出大直径、薄壁高强度的热压模具阴模。它是在普通电极石墨园柱上以高强碳纤维纱或单向窄带薄碳纤维布浸涂热固性树脂后均匀缠绕，加热固化，使石墨圆柱上形成一定厚度的单向碳纤维增强树脂基复合材料壳层。然后将制备的材料放入碳化炉中高温碳化，使树脂热解变成树脂碳，使原来石墨柱外部的碳纤维增强树脂基复合材料变成碳纤维增强树脂碳材料。然后在全部挖去或留少量原石墨柱，形成厚度为20～50毫米厚的圆筒，以此来进一步制造成热压模具的阴模。
文档编号B22C7/00GK1778490SQ20051001959
公开日2006年5月31日 申请日期2005年10月13日 优先权日2005年10月13日
发明者黄向东, 李强, 潘祖金 申请人:福州大学