专利名称：电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺的制作方法
技术领域：
本发明提供电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，属于炭/炭复合材料技 术领域。(二)
背景技术：
炭/炭(C/C)复合材料在高温环境下具有高比强度和比模量，低密度以及 良好的耐烧蚀、热物理、高温力学性能，特别是它们在很大的温度变化范围内 能够保持非常合理的摩擦系数，已被成功地用于战略核武器的导弹鼻锥、火箭 发动机的喷管喉衬、航天飞机的鼻锥和机翼前缘以及飞机刹车盘等军事、航空 航天领域，但是这种材料因为炭纤维原材料的价格高和制备工艺周期长而导 致成本很高，至今它们在工业与民用等领域还未获得广泛应用，因此研发快速 低成本致密化新技术是目前国际C/C复合材料研究的重大课题之一。在C/C复合材料致密化方面，目前国内外主要采用树脂法和化学气相渗积 (CVI)法。树脂法一般需要多次循环浸入树脂或者沥青然后进行炭化和石墨化，等温CVI法预制体则需致密化1000小时以上，这些导致了c/c复合材料制备周期长、成本高，并极大限制了其应用范围，因而国内外都投入了大量人力物力研究快速致密化技术，相继提出了热梯度CVI、强迫对流热梯度CVI 、直热CVI等新工艺，但这些方法由于种种原因,均未在工业中取得大的应用。电热法(electrified perform heating CVI method,简称ECVI)是通过对温 度、压力、接触面积和自由空间体积比等参数的控制，控制气体的滞留时间, 实现沉积碳自预制体内部向外部的一次性逐层渗积，使碳的渗积速率提高一个 数量级，大大降低致密化成本。同时结合对热解碳类型、组织结构、界面的设 计，提高力学性能、摩擦学性能及材质自身抗氧化能力，为C/C复合材料实 际应用(特别是作为飞机刹车盘应用)奠定良好基础。(三)
发明内容
本发明的目的在于提供一种电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，解决现 有技术中c/c复合材料制备周期长、成本高的缺陷，快速制备出具有高力学性 能、良好热物理性能的c/c复合材料，以降低成本。本发明一种电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，其技术方案分为以下几部分预制体的制备，电热法CVI沉积炉设计，预制体的致密化和高温热处理; 其工艺流程如图l所示1. 预制体的制备首先，采用整体针刺毡作为预制体，其结构单元为一层网胎+两层无纬 布，二层无纬布之间的长纤维采用正交(90°)铺层，铺设均匀；铺层数应不低于15层；无纬布采用T300PAN基炭纤维，其重量占整体重量的比例为^75%; 网胎也采用T300PAN基炭纤维，其重量比为《5°/。；初始密度为0.5g/cr^左右。 然后，将针刺毡预制体固定在自制的石墨夹具上，在石墨体的凹槽内把预制体 固定。该石墨夹具主要是由石墨体和绝缘体两大部分组成，底部的两个独立的 石墨体与两个铜电极分别螺接固定，顶部的石墨体由绝缘体固定支撑，如图2 所示。2. 电热法CVI沉积炉设计电热法CVI沉积炉如图3所示。炉体的底端安装电绝缘体和两个铜电极， 炉体的内壁安装冷却系统，并设有隔热层避免炉体外壁温度过高，炉体上安装 了可视口，用于观察炉体内的各种现象，进气口安装在炉体的底端，出气口安 装在炉体的顶端，预制体固定在由石墨体制成的石墨夹具内，炉体中心处的绝 缘体固定支撑石墨体，绝缘体的中心安装冷却系统，热电耦安装于预制体表面， 用于测定预制体表面的温度，热电耦安装于预制体中心部分，用于测定预制体 中心部分的温度。3. 预制体的致密化和高温热处理首先进行抽真空以检查是否漏气，然后通入氮气来净化炉体，持续通入氮 气直到炉体内的气压达到一个大气压；接着将预制体加热到表面温度为 700~800°C，同时要持续通入氮气，氮气的作用是防止预制体氧化。预制体外 表面的温度与内部中心部分的温度利用两个热电耦进行测试， 一个固定在预制 体表面，另一个固定在预制体中心部分处。当中心的温度达到900 110(TC时， 通入天然气与氮气的混和气体。随着沉积的进行，在表面部分的热电耦测到的 温度会慢慢上升，趋近于预制体中心的温度，但是在整个沉积过程中沉积温度 仍然保持在900 110(TC，沉积时间80小时，预制体致密化结束；然后，对经 过致密化的材料进行高温热处理把材料放在真空碳化炉中，在氮气或氩气保
护的状态下，以30~50°C/h的升温速率，升温到2000-2500°C，并保温3~5小时，即得成品。其中，该预制体自身直接被用作发热体，在沉积炉中作为电源的电极。 其中，在该预制体的两端加上电流，通过预制体的自身电阻产生热量。 其中，该石墨夹具主要是由石墨体和绝缘体两大部分组成，底部的两个独立的石墨体与两个铜电极分别螺接固定，顶部的石墨体由绝缘体固定支撑。 其中，通入天然气与氮气的混合气的流速为35 1/min。 其中，在该抽真空以检查是否漏气的步骤中，应保证漏气的速率小于0.13Pa/min本发明一种电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，其优点及功效在于， 炭/炭构件的制备周期长短、成本低，且制备出的炭/炭构件具有高力学性能、 良好热物理性能。
图1电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺流程2自制的石墨夹具示意3电热法CVI沉积炉示意图具体标号及符号如下2、绝缘体5、石墨体 8、预制体 11、冷却系统1、出气口 4、热电耦 7、铜电极 10、热电耦 13、进气口3、冷却系统 6、电绝缘体 9、可视口 12、隔热层°度、°C摄氏度、°C/h摄氏度/小时、 Pa/min巾白/分、1/min 升/分具体实施例方式本发明一种电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，其具体实施方式
结合附图叙述如下1.预制体的制备首先，采用整体针刺毡作为预制体，预制体的尺寸为1100x500x35mw， 炭纤维的体积含量为40%。其结构单元为一层网胎+两层无讳布，二层无炜
布之间的长纤维采用正交(90°)铺层，铺设均匀；铺层数应不低于15层；无纬布采用T300PAN基炭纤维，其重量占整体重量的比例为^75%;网胎也采用 T300 PAN基炭纤维，其重量比为￡25%;初始密度为0.5g/cm3左右。然后，将 针剌毡预制体固定在自制的石墨夹具上，在石墨体的凹槽内把预制体固定。该 石墨夹具主要是由石墨体5和绝缘体2两大部分组成，底部的两个独立的石墨 体5是与两个铜电极7分别螺接固定的，顶部的石墨体是由绝缘体2固定支撑 的，如图2所示。2. 电热法CVI沉积炉设计电热法CVI沉积炉如图3所示。炉体的底端安装电绝缘体6和两个铜电极 7，炉体的内壁安装冷却系统ll，并设有隔热层12避免炉体外壁温度过高，炉 体上安装了可视口9，用于观察炉体内的各种现象，进气口 13安装在炉体的底 端，出气口 l安装在炉体的顶端，预制体8固定在由石墨体5制成的石墨夹具 内，炉体中心处的绝缘体2固定支撑石墨体5，绝缘体2的中心安装冷却系统3， 热电耦4安装于预制体表面，用于测定预制体表面的温度，热电耦10安装于预 制体中心部分，用于测定预制体中心部分的温度。3. 预制体的致密化电热法CVI沉积炉如图3所示，以天然气作为前驱体，天然气气流量为 351/min。实验的第一步是对沉积设备进行抽真空检查是否漏气；要保证漏气的 速率小于0.13 Pa/min，通入氮气大约30分钟来净化炉体，然后通入氮气直到炉 体内的气压达到一个大气压。接着加热预制体，其外表面的温度与内部中心部 分的温度利用两个热电耦进行测试， 一个热电耦固定在预制体表面，另一个固 定在预制体厚度的中心部分处，控制预制体中心温度为900 110(TC，表面温度 为700 80(TC，使得温度梯度为200 30(TC，同时要持续通入氮气，氮气的作用 是起到保护作用防止氧化。等到沉积温度稳定了30分钟以后，天然气和氮气的 混合气体通入沉积炉内。随着沉积的进行，在表面部分的热电耦测到的温度会 慢慢上升，趋近于预制体中心的温度，但是在整个沉积过程中沉积温度仍然保 持在900 110(TC，待沉积时间达到80小时，预制体致密化结束，然后对经过致 密化的材料进行高温热处理把材料放在真空碳化炉中，在氮气保护的状态下， 以30'C/h的升温速率，升温到250(TC，并保温3小时，即得成品。
权利要求
1、一种电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，其特征在于其制备工艺为(1)预制体的制备首先，采用整体针刺毡作为预制体，其结构单元为一层网胎+两层无纬布，二层无纬布之间的长纤维采用正交铺层，铺设均匀；铺层数应不低于15层；无纬布采用T300PAN基炭纤维，其重量占整体重量的比例为≥75％；网胎也采用T300PAN基炭纤维，其重量比为≤25％；初始密度为0.5g/cm3左右；然后，将针刺毡预制体固定在自制的石墨夹具上，在石墨体的凹槽内把预制体固定；(2)电热法化学气相渗积沉积炉设计炉体的底端安装电绝缘体和两个铜电极，炉体的内壁安装冷却系统，并设有隔热层避免炉体外壁温度过高，炉体上安装可视口，用于观察炉体内的各种现象，进气口安装在炉体的底端，出气口安装在炉体的顶端，预制体固定在由石墨体制成的石墨夹具内，炉体中心处的绝缘体固定支撑石墨体，绝缘体的中心安装冷却系统，一个热电耦安装于预制体表面，用于测定预制体表面的温度，另一个热电耦安装于预制体中心部分，用于测定预制体中心部分的温度；(3)预制体的致密化和高温热处理首先进行抽真空以检查是否漏气，然后通入氮气来净化炉体，持续通入氮气直到炉体内的气压达到一个大气压；接着将预制体加热到表面温度为700～800℃，同时要持续通入氮气；预制体外表面的温度与内部中心部分的温度利用两个热电耦进行测试，一个固定在预制体表面，另一个固定在预制体中心部分处；当中心的温度达到900～1100℃时，通入天然气与氮气的混和气体；随着沉积的进行，在表面部分的热电耦测到的温度会慢慢上升，趋近于预制体中心的温度；整个沉积过程中沉积温度保持在900～1100℃，沉积时间80小时，预制体致密化结束；然后，对经过致密化的材料进行高温热处理把材料放在真空碳化炉中，在氮气或氩气保护的状态下，以30～50℃/h的升温速率，升温到2000-2500℃，并保温3～5小时，即得成品。
2、 根据权利要求l所述的电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，其特征 在于该预制体自身直接被用作发热体，在沉积炉中作为电源的电极。
3、 根据权利要求1所述的电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，其特征 在于在该预制体的两端加上电流，通过预制体的自身电阻产生热量。
4、 根据权利要求1所述的电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，其特征 在于该石墨夹具主要是由石墨体和绝缘体两大部分组成，底部的两个独立的 石墨体与两个铜电极分别螺接固定，顶部的石墨体由绝缘体固定支撑。
5、 根据权利要求1所述的电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，其特征在于通入天然气与氮气的混合气的流速为35 1/min。
6、 根据权利要求1所述的电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，其特征在于在该抽真空以检査是否漏气的步骤中，应保证漏气的速率小于0.13Pa/min。
全文摘要
本发明涉及一种电热法定向渗积制备炭/炭构件的工艺，该技术包括三部分内容电热法CVI沉积炉设计；预制体的制备；预制体的致密化和高温热处理。具体是将预制体自身直接被用作发热体，在沉积炉中作为电源的电极，在预制体的两端加上电流，通过预制体的自身电阻产生热量，使炉室达到反应气体的热解温度以上。
文档编号C04B35/83GK101157563SQ20071012176
公开日2008年4月9日 申请日期2007年9月13日 优先权日2007年9月13日
发明者强 李, 李进松, 罗瑞盈 申请人:北京航空航天大学