一种利用变径变螺距感应线圈实现温度梯度的方法与流程

本发明具体涉及一种利用变径变螺距感应线圈实现温度梯度的方法。

背景技术：

低成本快速致密碳/碳复合材料工艺通常采用感应加热与预制体紧密接触晶化程度很高的石墨发热体，石墨发热体积蓄热量，并将热量传递给紧贴着的预成型体。这样，首先受热的是离石墨发热体近的预成型体，然后热量由高温端向低温端传递，形成径向温度梯度。现有的碳/碳复合材料制备工艺中使用的感应线圈如附图1所示，感应线圈环绕在石墨坩埚发热体之外，线圈直径由上至下保持不变，这样只能在碳纤维预制体径向形成较小温度梯度，而在石墨加热体轴向无法形成温度梯度。这种加热方式使得热解碳的沉积容易集中在预制体表面进行，导致预制体外部的孔隙结构被堵死，形成硬壳，造成致密化困难，制备周期长，能源消耗高。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种利用变径变螺距感应线圈实现温度梯度的方法，实现由下及上的顺序沉积，可以解决预制体致密化困难，制备周期长，浪费电能的问题，具有低成本快速致密碳/碳复合材料工艺中在预制体轴向和径向形成温度梯度的技术。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种利用变径变螺距感应线圈实现温度梯度的方法，采用变径感应线圈对石墨坩埚发热体内的碳纤维预制体进行感应加热，所述变径感应线圈呈螺旋型，直径从上往下依次变小，包括上端、下端及过渡段，上端和下端均为所需直径的单匝，过渡段呈锥形，上端和下端及过渡段是由同一铜管无间断绕制而成。

优选地，包括如下步骤：

s1、将石墨坩埚发热体置于变径感应线圈内；

s2、将碳纤维预制体依次放入石墨坩埚发热体内的不同位置，进行感应加热。

优选地，所述过渡段的锥度和螺距依据工艺所需轴向温度梯度的大小设定。

优选地，所述石墨坩埚发热体与变径感应线圈为同轴设置。

本发明具有以下有益效果：

利用变径变螺距感应线圈在加热体内部形成一种浅盘型(u型)温度梯度的方法，该方法可在预制体轴向形成较大的温度梯度，实现由下及上的顺序沉积，可以解决预制体致密化困难，制备周期长，浪费电能的问题，具有低成本快速致密碳/碳复合材料工艺中在预制体轴向和径向形成温度梯度的技术。

附图说明

图1为现有技术中感应线圈与石墨发热体的位置关系示意图。

图2为本发明实施例中变径变螺距感应线圈结构示意图。

图3为本发明实施例中石墨发热体内温度测试位置示意图。

图4为本发明实施例中石墨发热体内不同位置处的温度分布(实测的u型温度场)。

图5为变径变螺距感应线圈与石墨发热体的位置关系示意图。

图6为温度场内不同位置处碳纤维预制体试样沉积增重曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种利用变径变螺距感应线圈实现温度梯度的方法，采用变径感应线圈对石墨坩埚发热体内的碳纤维预制体进行感应加热，如图2所示，所述变径感应线圈呈螺旋型，直径从上往下依次变小，包括上端、下端及过渡段，上端和下端均为所需直径的单匝，过渡段呈锥形，上端和下端及过渡段是由同一铜管无间断绕制而成。

图3是置于变径线圈内的石墨坩埚(发热体)不同测温位置(温度数据采集位置)示意图。如图所示，沿石墨坩埚轴向，距离端头分别为9mm、18mm、43mm、66mm和84mm位置分别进行测量，每一位置均沿径向采集3个处温度，即中心处、距中心10mm处和坩埚表层内侧距中心18mm处，不同采集位置的温度数据绘于图4中。可以看出，越靠近变径线圈的下端(线圈的直径越小)的位置，温度越高；约靠近线圈上端(线圈的直径越大)的位置，温度越低。另外，由于石墨坩埚表面最先被加热，因此由表及里也形成一温度梯度，但是沿径向的这一温度梯度较小。由于发热体是对称结构，由图4易知发热体中沿着径向和轴向的温度场呈一浅盘形状(或呈u型)，温度场中的温度梯度可以通过调节线圈直径和螺距加以改变。

以下结合具体工艺验证u型温度场内不同位置处碳纤维预制体的沉积效果。首先将碳纤维预制体依次放入石墨坩埚内不同位置，然后再石墨坩埚(发热体)放入石英玻璃管中，进行感应加热，变径变螺距线圈与石墨坩埚发热体位置关系如图5所示。用热电偶测定石墨坩埚内壁温度，并调节感应加热设备功率，来实现预定的温度场。在感应电流为20a时形成的温度梯度下，以氮气/丙烷＝3∶1的混合气体为前躯体气体，沉积室内的压力为5-10kpa的条件下进行沉积碳实验。分别在沉积6h、16h、26h和36h后对试样的增重情况进行分析。不同试样重量变化情况如图6所示。可以看出位于线圈下端的试样增重速度最快，由下至上不同位置处的碳纤维预制体试样的增重速度依次减慢，位于线圈上端的试样增重最慢。因此，本发明利用变径变螺距感应线圈实现的温度梯度中，碳纤维预制体可以进行顺序沉积。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种利用变径变螺距感应线圈实现温度梯度的方法，采用变径感应线圈对石墨坩埚发热体内的碳纤维预制体进行感应加热，所述变径感应线圈呈螺旋型，直径从上往下依次变小，包括上端、下端及过渡段，上端和下端均为所需直径的单匝，过渡段呈锥形，上端和下端及过渡段是由同一铜管无间断绕制而成。本发明利用变径变螺距感应线圈在加热体内部形成一种浅盘型(U型)温度梯度的方法，该方法可在预制体轴向形成较大的温度梯度，在碳纤维预制体致密化过程中实现由下及上的顺序沉积，解决预制体致密化困难，制备周期长，浪费电能的问题，具有低成本快速致密碳/碳复合材料工艺中在预制体轴向和径向形成温度梯度的技术。

技术研发人员：季根顺;贾建刚;王丽;薛向军;郝相忠;陈晓龙
受保护的技术使用者：兰州理工大学
技术研发日：2017.04.02
技术公布日：2017.08.01