对多孔产品进行致密化的装置和方法

专利名称：对多孔产品进行致密化的装置和方法
技术领域：
本发明涉及对多孔产品进行致密化。
背景技术：
在摩擦材料的领域，使用由多孔材料制成的基质来制造摩擦构件是众所周知的，所述摩擦构件例如摩擦制动盘。一般地，这种摩擦构件的制造开始于多孔的、通常是纤维构 成的预成型件的构造，例如环形预成型件。所述的环形预成型件可以通过使用几种不同的已知方法来构造。例如，可以将碳 纤维织物层缝制在一起，然后环形预成型件可以从堆叠材料中切割而成。所述的层可以例 如由气流成网纤维(airlaid fibers)或机织纤维制成。还例如，可以通过将碳纤维编织为 需要的形状而形成接近最终形状的预成型件。某些碳纤维织物是已知的，其具有有助于以 螺旋形式布置织物的编织方法。在此处的上下文中，“接近最终”表示形成具有接近最终产 品的所需形状的形式的结构，所述最终产品例如环形制动盘。氧化聚丙烯腈(“PAN”)纤维或浙青基纤维是在这种类型的应用中所使用的起始 纤维的公知实例。随后，可以在高温处理步骤中对这些纤维进行碳化。在另一常规方法中， 起始纤维是通过使用树脂或浙青而形成的，接着使用例如氮气的反应气体对产生的大块物 质进行熟化。然后，对这样熟化的大块物质进行碳化以获得半刚性的预成型件。无论如何，对产生的多孔预成型件(特别是具有碳材料)进行进一步的致密化都 是需要的，以获得需要的摩擦和机械性质。化学气相渗透(“CVI”)是用于获得碳/碳(在本领域中有时也称为“C/C”)合 成材料的常规致密化技术。典型地，CVI使用包含碳氢化合物的气体以对多孔预成型件进 行渗透。然后，CVI气体在高温下裂化，以在预成型件的纤维结构上留下碳覆盖层，从而增 大产品的密度。典型地，使用气体前体的CVI需要几百小时的处理，以获得具有所需密度特征和 机械性质的碳/碳结构。例如，典型的CVI工序包括进行例如超过大约300-500小时或者 更长时间的第一气体渗透周期。然而，常规的CVI常常在预成型件的内部部分充分致密化之前就导致了预成型件 的表面孔隙的快速阻塞。为了“重新打开”表面孔隙(以使得气体前体能够继续到达产品的 内部部分)，必须进行中间加工步骤。一般而言，这种中间加工(使用已知方法，例如铣削) 移除具有碳阻塞毛孔的预成型件的表面层以使得预成型件的开放毛孔暴露出来，从而使得 碳氢化合物气体能够再次渗透预成型件结构。考虑到在典型的致密化过程中要对几百个预 成型件进行致密化，中间加工步骤会导致总的CVI致密化工序增加多达48小时的时间。一旦局部致密化了的产品的中间加工得以完成，就进行第二 CVI工序以对预成型 件的重新打开的表面孔隙进行利用，该第二 CVI工序可以持续例如另外的300-500小时或 者更长时间。通常这就完成了致密化工序。对多孔预成型件进行致密化的另一方法是使用液体来替代气体碳氢化合物前体。在本领域中这种致密化的方法有时也称为“薄膜沸腾”或“快速致密化”。例如，用于致密化的液体前体的使用在公开号为4，472，454,5, 389，152、 5，397，595,5, 733，611,5, 547，717,5, 981，002 以及 6，726，962 的美 国专利中进行了描述。
在允许合并以作参考的所有地区和管辖区域中，将这些文件中的每一个都完整地合并于此 以作参考。薄膜沸腾致密化通常涉及将多孔预成型件浸入保持在反应腔室中的液体中，特别 是浸入在液体碳氢化合物中，从而使得液体基本上完全渗透预成型件的毛孔和间隙。然后， 浸入的预成型件被感应(inductively)加热至高于液体碳氢化合物的分解温度的温度(典 型地为1000°C或更高)。更加特别地，接近感应加热的预成型件结构的液体碳氢化合物在 预成型件孔隙之内分离为各种气相组分(gas phasespecies)。气相组分的进一步的热分解 导致了在多孔材料的开放区域中在内表面上形成热解碳(pyrolitic carbon)。液体碳氢化合物前体可以是环戊烷、环己烷、1-己烯、汽油、甲苯、甲基环己烷、正 己烷、煤油、水脱硫煤油、苯或它们的组合物。此外，液体前体可以包含有机硅烷，例如甲基 三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、甲基二氯硅烷或三-η-甲基氨基硅烷。在某些情况下，液体前 体可以是有机硅烷和碳氢化合物的混合物。液体前体可以通过已知方式来制备，以获得组合分解产品。例如，分解产品可以包 括碳化硅和氮化硅，或者碳/碳化硅或碳/氮化硅。由于存在包围预成型件的沸腾液体，在盘的内部部分(即，核心)和外部部分 (即，外围)之间产生了较强的热梯度。致密化通常开始于核心区域，因为那里的温度相对 而言高于更加靠外的表面部分的温度。因此，多孔产品能够仅通过一个致密化工序步骤就 基本上完全致密化，比使用常规的等压线CVI ( “I-CVI”)工序(其中致密化优选地首先出 现在产品的表面)的时候要快得多，其中常规的等压线CVI工序倾向于密封产品的孔隙并 阻止进一步的气体渗透。液体前体致密化的反应动力学可以比使用气体渗透步骤快大约 100 倍。然而，因为预成型件浸入在相对温度较低(虽然沸腾)的液体中，所以需要较高的 能量水平以将预成型件的最高温度保持在液体前体的裂化温度之上。例如，在使用环己烷 作为前体进行致密化的情况下，在致密化过程中多孔产品的内部温度可以在大约900°c到 大约1200°C之间，尽管周围液体环己烷的温度仅仅在大约80°C到大约82°C。其结果是，与 标准I-CVI工序比较，总体电能消耗较高。同样，由于致密化前线朝向多孔预成型件的外围边缘/表面移动，从而必须逐渐 地增大能量以维持致密化前线的必须的温度。因此，在致密化周期的末期，能量水平可能是 初始能量水平的5倍或更多。这就增加了电能消耗并且使得能够进行所需加热的昂贵的电 源成为必需品。在公开号为6，994，886和5，981，002的美国专利中已经提出了对于这些问题的某 些常规解决方案。例如，可以将预成型件制造为尺寸特别大，当致密化前线仍然距离多孔产 品的表面微小距离(例如，几毫米)时致密化就停止。这种方法减少了需要用于加热预成型 件核心的能量，因为预成型件本身就有效地充当了绝缘体——预成型件越厚，其就越能起 到将其内部与上述热梯度隔绝的作用。同样，取决于牺牲材料的厚度(即，在预成型件表面 上的未致密化材料的深度)，实现致密化所需要的最终能量也会变得较低。然而，由于需要将厚的预成型件的外面部分通过机械加工而消除，这种方法假定了并且必然导致某种程度 上的材料浪费。此外，当使用更厚的预成型件的时候，总体而言渗透将变得相对更加困难。 这会导致预成型件的核心部分未充分致密化，因为前体难于到达预成型件的内部。
另一方法涉及用另一种材料包裹预成型件，以在沸腾液体前体和预成型件本身之 间形成物理边界。根据所使用的材料的性质而期望不同的结果。在公开号为5，981，002美 国专利中，提出一种碳毡层以改善盘的边缘致密化。该碳毡能够使用较少的能量使得致密 化前线移动至更加接近预成型件的边缘(即，表面)的位置。在致密化前线接近预成型件的 表面时，该碳毡能够承受致密化前线的高温。然而，在某些情况下不能使用这种方法。例如， 当预成型件通过电磁耦合而感应加热时，在致密化周期中碳毡本身也会被感应加热(类似 于预成型件)并且变得致密化。这就会密封产品的孔隙，阻止前体到达预成型件的内部部 分并且导致盘的正确致密化大打折扣，正如常规技术中所认识到的那样。公开号为6，994，886的美国专利公开了使用一层或多层聚四氟乙烯(“PTFE”)纺 织品(有时在市场中具有商标Gore-Tex )。该专利公开了进入预成型件的液体前体渗透 受到PTFE的限制，从而对材料进行致密化所需的电能显著减少，致密化率提高。然而，由于 PTFE纺织品具有较低的渗透率(例如，与碳毡的渗透率比较)，前体向预成型件的内部部分 的传递受到阻碍。因此，当正在进行致密化的产品相对较厚时，在预成型件的核心部分会出 现液体前体的耗尽或者不足。这会导致未充分致密化的核心(有时称为“空心核心”)。例如，如果想要对25mm厚的碳制动盘预成型件进行致密化，使用Gore-Tex PTFE 纺织品以显著隔绝预成型件，这降低了致密化反应动力学(即，导致较慢的致密化)，从而 避免了空心核心。因此，使用如美国专利6，994，886中所公开的PTFE所带来的好处不得不 与周期时间的相应增加进行平衡。已知的添加诸如碳毡或Gore-Tex PTFE纺织品的隔绝层被认为会导致预成型件 内部热轮廓的“扁平”，并且削弱前体进入预成型件内部的传递或渗透。在核心致密化中涉 及这两个参数。对于Gore-Tex PTFE纺织品而言，织物的较低渗透率阻止了(或者说至 少阻碍了)液体前体进入预成型件，从而使得液体前体进入预成型件内部部分的渗透明显 放缓。当沉积的反应动力学保持在通常范围内时，随后就产生了气相组分的严重不足。也 就是说，进入核心的液体前体的减少的渗透不能充分地支持需要的气相组分的产生。一般 地，在这种方式中PTFE纺织品的常规使用使得致密化的较低温度成为必须，以获得相同的 致密化均勻性。其结果是，致密化的周期时间增加。当碳毡用在上述常规方式中时，在前体传递上的负面效果并不像PTFE纺织品那 样大。然而，当增大能量以使得致密化前线向前移动时，碳毡本身就会通过感应场而感应加 热。其结果是，碳毡也变得致密化。一旦致密化在毡隔绝物内部开始，下面的预成型件的孔 隙开始变得闭合，从而在周期结束时接近毡的预成型件的一些区域维持为未致密化。目前正在审查中的美国专利申请第12/210，228号(在2009年4月2日公开，公 开号为2009/087588)意在使用具有30%到60%之间孔隙率的聚四氟乙烯(有时候称为 “PTFE”或Teflon )网格来包裹待致密化的预成型件，而不是使用常规技术中已知的碳毡。 虽然获得了表面致密化的改善，但是也已经观察到，根据被致密化的部分的几何形状，致密 化前线的多个部分能够在径向到达盘的内外边缘(有时候称为内外直径)之前到达部分的 表面(特别是磨损表面，在制动盘的情况下)。在这种情况下，在致密化前线已经实际上到达部分的表面的位置，部分的温度足够高以使得接近盘的液体碳氢化合物前体在该前体有 机会渗透该部分之前就热分解(或“裂化”)。这就产生了散布在液体前体中的碳颗粒，从 碳没有在预成型件之内沉积以使得制动盘致密化的角度而言，碳被“浪费”了。接下来，由 于这种过早的碳氢化合物裂化，液体前体消耗不必要地增大，从而增加了生产成本。
美国专利申请第12/210，228号中公开的选择性特征是，在致密化工序的整个过 程中提供以固定距离紧密夹持预成型件的壁或其它隔离物(或者部分穿孔或者实心)。当 在致密化周期的末期能量升高并且致密化前线接近部分的外围或表面部分的时候，液体/ 气体边界由于壁的存在而保持为远离预成型件，从而改善外围致密化结果。然而，实际上在 致密化过程中在预成型件和壁结构之间保持恒定的间隔是很困难的，因为在沸腾前体存在 的情况下环境是非常纷乱的，还因为壁和预成型件之间的间隙优选地为至多大约5mm。

发明内容
在这里，本发明提出使用液体前体对多孔产品进行致密化的装置和方法，其解决 了对多孔产品进行致密化的已知方法中存在的问题。


参考附图，本发明将会得到更清楚的理解，在附图中图1是安装在环形框架上的开放孔隙网格的平面图；图2a和图2b是描述在根据本发明第一实施例的薄膜沸腾致密化工序中的不同阶 段的示意性侧视图，图2c是沿着IIC方向(在图2a中示出)看的示意性平面图，描述了根 据本发明的这个实施例的特定元件的位置关系；图3是根据本发明第二实施例的用作可移动屏障壁的穿孔板的平面图；图4a和图4b是描述在根据本发明第二实施例的第一变化形式的薄膜沸腾致密化 工序中的不同阶段的侧视图；图5a和图5b是描述在根据本发明第二实施例的第二变化形式的薄膜沸腾致密化 工序中的不同阶段的侧视图；并且图6是用于待致密化的环形预成型件的支承结构的一般实例，可与本发明的第一 或第二实施例一起使用。应该注意到，所有描述的特征，即使只在一幅图中，也不一定是按比例绘制的，一 幅图中的一些特征可能不一定与该图中的其它特征具有相同的相对比例。
具体实施例方式如上所述并且在本领域众所周知的是，在致密化工序中需要使得产品尽可能地完 全致密化。因此，在使用薄膜沸腾进行致密化的情况下，其中致密化从被致密化产品的核心 或内部开始，这就意味着需要致密化到达产品的最外部的表面。在常规薄膜沸腾工序中，这 通常在薄膜沸腾工序的过程中需要较高的能量水平，特别是在致密化周期的末期。例如，为 了对20英寸碳制动盘进行致密化(即，使得致密化前线基本上移动至制动盘的表面)，当通 过直接耦合对部分进行加热时，在周期的末期可能需要超过70W/cm2的能量。这种能量需 求增加了生产成本。
降低这种能量消耗的一种方式是对预成型件进行物理隔绝，如上文对于这个问题的常规方法的描述中所述。然而，对预成型件进行隔绝常常影响到致密化的均勻性。也就 是说，预成型件并未在其体积中处处都一致地致密化。特别地，使用诸如US 5，981，002和 US 6，994，886中描述的碳毡或PTFE纺织品的隔绝物对预成型件进行包裹会对核心致密化 带来负面影响。众所周知的是，周围的沸腾液体所维持的高热梯度使得快速致密化成为可能。也 就是说，预成型件的核心是最热的部分，从而使得致密化在预成型件的体积中心或内部开 始。这避免了在标准等温线CVI工序过程中通常出现的表面密封问题(其使得消耗时间的 中间加工步骤必不可少，以“重新打开”材料的孔隙，以使得常规气体前体能够渗透预成型 件结构的内部)。然而，这种热梯度并不一定能够避免预成型件核心的未充分致密化。这涉及到几 个参数，非限制性地包括预成型件的材料的热性质、被致密化的材料中的孔隙分布、渗透率 以及最高温度。必须在这些参数之间寻求一种细微的平衡，以获得最好的产业折衷较短的 致密化周期、较低的能量消耗、均勻的致密化以及合适的预成型件构造(最后一点主要取 决于部件所最终期望的用途)。例如，改善致密化均勻性的一种方式是降低工序温度，但同时这也会产生增加周 期时间的问题。改善致密化均勻性的另一种方式是对预成型件作出改变，从而使其针对较 短致密化周期时间和较高致密化水平得到优化，但是这并不一定导致产品最终期望使用的 最优特征。此外，单独对每个预成型件进行改变会导致生产变得复杂，因为每个单独的预成 型件都不得不以特定的方式进行改变。对于飞行器制动器的碳预成型件盘的情况，根据上面强调的准则，预成型件构造 通常并不针对薄膜沸腾进行优化。与优化的预成型件比较，“飞行器”预成型件一般需要较 低的致密化温度以启动周期(意味着更长的周期时间)，可能会使用更多的能量，最终导致 较低的体积密度(bulk density)。因此，提供了一种方法和装置来改善通过薄膜沸腾进行致密化的预成型件的边缘 致密化，而不会损害核心致密化或增加周期时间。在下面的描述中，将主要参考制动盘的环形预成型件，但这严格而言是举例说明， 并不存在隐含的限制，可以将本发明理解为更加一般地应用于多孔产品的致密化。如上文所述，美国专利申请第UAlOjZS号描述了将具有显著开放孔隙的Ρ Ε 网格固定至环形预制件的相反磨损表面。在整个致密化工序中该网格都是固定的，例如通 过线或纱进行捆绑。在选择性形式中，美国专利申请第12/210，228号中待致密化的预成型 件以固定距离安装在两个屏障壁或类似物之间，并且预成型件和一对壁的组合安装在一对 扁平感应线圈之间，这通常用于薄膜沸腾工序。在本发明中，仅仅在液体致密化工序的接近末期时选择性地使用上述开放孔隙 PTFE网格或屏障壁，这一时刻在致密化工序接近被致密化的产品的外部外围表面并且致密 化完成大约50%至大约80%之后。一般而言，这种方法使得美国专利申请第12/210,228 号中描述的方法所涉及的问题的影响最小化，同时仍然提供了使用薄膜沸腾工序对待致密 化的产品进行隔绝所提供的总体优点。1、安装在框架上的网格
在本发明的第一实施例中，第一和第二 PTFE网格部分安装在各自的刚性外围框 架上。与美国专利申请第12/210，228号中将网格部分直接捆绑或固定至预成型件相反，在 致密化工序的初始阶段，即致密化程度较低的部分(图2a)，每个网格部分都最初保持为与 预成型件间隔一定距离，然后位于预成型件的各个侧面上并且通常与其平行的每个网格部 分滑向预成型件以实现充分的分隔作用(通常为大约5mm或更小)，以隔绝预成型件的表 面，从而形成更加接近预成型件的外围表面的更好的最终致密化。通常参见图2b。如图1中所示，网格组件100包括通过相对刚性的框架104而安装在其外围的开 放孔隙网格部分102(相对柔性)。例如，网格部分102和框架104可以是大致圆形，特别是 在用于制动盘的环形预成型件的情况下，但是在这一点上任意几何形式都在本发明的范围 内。在特别的实例中，框架104可以包括两个大致相似或者甚至相同的圆环部分，所示圆环 部分例如通过使用螺栓106而连接在一起，网格部分102的外围边缘固定地夹持在它们之 间。可以使用任何合适的固定装置来替代螺栓106。
框架104具有围绕其外边缘的一个或多个(优选但不是必须的为两个或更多)支 承点108，网格组件100通过所述支承点而支承在薄膜沸腾腔室中，并且网格组件100通过 所述支承点而朝向和远离预成型件(在图1中以Iio示意性地表示)移动。支承点108可 以是套管或衬套或类似物，相应的支承杆(未示出，但通常沿着垂直于网格组件100和预成 型件110的方向跨越反应腔室)通过该支承点，网格组件100根据需要例如通过手动致动 的推杆或类似物而沿着该支承点滑动。在选择性形式中，支承点108可以是支承杆的相应 端部连接的点(例如，举例说明而并非限制性地，通过焊接或通过抗热粘合剂或通过螺栓 连接)，使得网格组件100能够根据需要推拉至适当位置。在支承杆组件的一个实例中，如 图2a和图2b所示，相应的支承点108可以与支承杆200a、200c (在图2a和图2b的视图中 看不见200b)的相应组相连，支承杆200a、200c集中于中心点以与单个主支承杆200，相 连接，该主支承杆200’延伸出反应腔室之外以根据需要移动网格组件100。下文中通过本 发明的第二实施例更加具体地描述了类似的布置，但那里的描述也完全可用于这里的实施 例。一般地，第一和第二网格组件用于通常已知的薄膜沸腾装置，仅仅进行了些许修 改。一般地，如图2a和图2b所示，第一和第二网格组件100设置在使用薄膜沸腾工序进行 致密化的环形预成型件110的相对的两侧，并且在现有技术中已知的一对感应线圈205之 间。第一和第二网格组件100在一对感应线圈205之内总体上保持为与安装在其间的预成 型件平行。在图1、图2a和图2b加起来所表示的实施例中，应该理解的是，越过框架104的 网格组件100的直径通常大于相应的扁平感应线圈205的直径。因此，应该理解的是，支承 臂机构200、200’有效地布置在扁平感应线圈205的区域周围或外侧。图2c正是沿着图2a中所示的线IIC的示意图，描述了预成型件110、扁平感应线 圈205和网格组件100之间的位置关系。从图2c中可以看出，网格组件100的直径最大， 扁平感应线圈205的直径稍微小一些。从内径到外径的扁平感应线圈205的线圈的径向宽 度总体上以111表示。预成型件从内径到外径的径向宽度通过110表示。在下文中，以图6为参考更加具体地描述了用于环形预成型件的安装布置，该环 形预成型件可用于本发明的这个实施例以及下面描述的第二实施例。网格部分102由网格材料制成，该网格材料具有比常规使用的Gore-Tex PTFE纺织品大得多的开放孔隙率(例如，在大约30%到大约60%之间)。开放网格的材料优选 地具有以下特征中的一些特征或全部特征在沸腾前体中的化学稳定性；能够承受致密化 前线到达被致密化材料的表面时的温度，从而使得隔绝保持完好；刚性足够好以提供预成 型件和隔绝材料之间的基本上恒定的接触(虽然框架104能够提供充分的刚度)；以及如 果预成型件加热是通过电磁直接耦合进行的则可以是电绝缘的。合适的PTFE网格材料的一个实例是ET8700，可从InterNet上购买，该网格的开口 的每一个都具有6mm(0.236”)的主要(major)尺寸以及3mm(0. 118”)的次要(minor)尺 寸。一种选择性的网格材料可以是机织玻璃纤维材料，该材料通过已知方法制造以限定出 类似尺寸的网格。
框架104可以通过GlO合成材料制造，螺栓106也是。用于支承和/或移动网格 组件100的支承杆也可以通过GlO或适合于薄膜沸腾反应腔室的操作过程中出现的环境的 另一种材料制造。在使用现在描述的本发明的实施例的实例中，实现了通过薄膜沸腾对20”飞行器 制动盘的致密化，其中预成型件通过电磁直接耦合进行加热。该预成型件通过已知方式 由碳纤维制成，液体高温碳前体是环己烷。薄膜沸腾是大体上根据以下专利中的任意一 个或多个而进行的公开号为 4，472，454,5, 389，152,5, 397，595,5, 733，611,5, 547，717、 5，981，002以及6，726，962的美国专利，使用了这些文献中描述的平行扁平感应线圈。在允 许合并以作参考的所有管辖区域和场合，将这些文件中的每一个都完整地合并于此以作参 考。然后，制动盘根据薄膜沸腾工序进行致密化，所述薄膜沸腾工序例如在如下 文献中是已知的公开号为 4，472，454,5, 389，152,5, 397，595,5, 733，611,5, 547，717、 5，981，002 和 6，726，962 的美国专利，以及 PCT 专利申请 PCT/EP2007/058193、PCT/ EP2007/058195以及/或者PCT/EP2007/058197，在允许合并以作参考的所有管辖区域和场 合，将这些文件中的每一个都完整地合并于此以作参考。—旦致密化周期完成，网格组件100可以根据所选择的网格材料102的磨损和耐 久性而重新使用。2、液体/气体边界隔绝美国专利申请第12/210，228号公开了使得预成型件与湍动的液体前体隔绝或者 分离。与未使用某种形式的屏障比较，这使得致密化前线能够前进而更加接近被致密化的 产品的表面。相对于液体前体，当致密化前线接近表面时在周期的末期，在被致密化的盘 (或其它产品)的表面建立了气体形式的相对稳定或平静的前体层。这一点能够通过提供 以离盘的表面大约Imm至大约5mm的距离接近被致密化的部分的壁或板构件而实现。在致 密化周期的末期，被致密化的部件所散发的热量变得非常显著导致液体前体从所述部件的 表面推离，在壁之后(即，在壁的另一侧面上)。在那一时刻，仅仅只有气体层(包括前体蒸 气和气体副产品)包围所述部件。该气体层的作用类似于隔绝层，并且显著地减少了所述 部件表面的冷却(当相对而言温度较低的液体前体与所述部件接触时引起)，从而使得致 密化前线能够前进至更加接近表面。根据本发明的这个实施例，与美国专利申请第12/210，228号不同的是，在致密化 的第一阶段中，所述的壁最初从预成型件收缩分离而能量仍然相对较低，在这个过程中预成型件被液体前体包围。稍后在致密化过程中，特别是在能量显著增加以完成致密化的阶 段，壁移动至预成型件的各个侧面附近(例如，在大约Imm到大约5mm之间)。更具体地，图3是在该第二实施例中使用的穿孔板300的平面图。该板300被表示 为圆形，但板的具体形式仅仅需要适合于且相容于致密化中的其它结构需求和约束，例如， 举例说明，在致密化装置中使用的感应加热线圈的形状和尺寸。
通过302的虚线示意性地示出了相对于板300的尺寸和范围的被致密化的环形预 成型件的定位。在一个布置方式中，板300的直径大于预成型件302的外侧直径，板300和 预成型件302通常相对于彼此同轴布置。板300的一部分通过多个孔304或从板300的一个表面贯通至另一表面的其它开 口而形成穿孔。例如，孔304的直径可以在Imm到5mm之间。例如，孔304可以通过激光或 通过射流切削以已知的方式形成。一般而言，较小直径的孔304是优选的，根据通常的约束 条件，太小的孔容易被液体前体中存在的固体颗粒物质所堵塞，而太大的孔将会导致在与 太大的孔的位置相对应的致密化中产生显著的区别。在特别的实例中，孔304的尺寸和密 度被调节为提供20 %至40 %的开放孔隙率。用于制造板300的材料必须能够在薄膜沸腾工序中在化学和热方面承受沸腾的 前体。当被致密化的产品通过直接电磁耦合加热时，所使用的材料必须额外地是电绝缘的。 GlO玻璃、PTFE、混凝土以及陶瓷材料是这种应用的合适材料的实例。在一个实例中，板300在其中心可以具有安装夹具或安装点306。在下文中将会说 明，板300能够通过安装夹具306而安装和支承，从而使得板300能够根据本发明的这个第 二实施例选择性地朝向和远离被致密化的预成型件移动。图4a和图4b以及图5a和图5b图示了第二实施例的第一和第二变化形式，使用 了两种不同的机械布置方式以使得板300朝向和远离预成型件302移动。在图4a和图4b中，示意性的图示了根据该第二实施例的用于薄膜沸腾致密化的 装置。一对扁平感应线圈400 (例如螺旋感应线圈)总体上平行布置，它们之间具有间隔， 并且预成型件302 (或被致密化的其它产品)足以被设置在它们之间。在一对感应线圈400之内提供了如上文所述的一对穿孔板300。也就是说，每个穿 孔板300位于各自感应线圈400的接近预成型件302的一侧。在每个板300的向外的一侧 具有突出的安装夹具306，每个安装夹具306都穿过相应感应线圈400的开放中心部分而轴 向延伸，从而延伸至感应线圈400的相反的外部那一侧。如上文所述，预成型件302和一对 板300总体上同轴布置。根据图4b中图示的本发明，在需要的时刻(通常指接近致密化的末期能量的增 大的时刻)，每个板300沿着夹具306的轴线朝向预成型件移动，从而有助于改善预成型件 302的表面致密化。在这一时刻，致密化如美国专利申请第12/210，228号中所述的一样进 行，因此在这里不再具体描述。在第二实施例的第一变化形式中，使用锥齿轮驱动组件来根据需要移动板300。在 图4a和图4b中可以看出，每个板与第一可旋转驱动轴405相关联，该第一可旋转驱动轴 405在其端部具有第一锥齿轮407。驱动轴405的相反端部直接或间接(例如通过齿轮传 动)连接至常规可旋转驱动源(未示出)，例如旋转电机，特别是能够以一定精度启动和关 闭的电机。各个轴405可以连接至各个驱动源，或者连接至同一的驱动源。
轴向突出的夹具306的向外(S卩，远离预成型件302)延伸的端部具有第二锥齿轮 409，该第二锥齿轮409布置为与锥齿轮407啮合并配合。应该理解的是，被驱动的驱动轴 405使得锥齿轮407转动，并继而驱动锥齿轮409旋转。例如，第二锥齿轮409可以连接至 常规的滚珠螺杆设备(未示出，但是，例如，通常以已知方式布置在轴向突出的夹具306之 内)。同样已知的是，锥齿轮409的旋转通过滚珠螺杆而被转化为线性位移。通过滚珠螺杆 产生的沿着夹具306的轴线的线性位移使得板300根据需要朝向或者远离预成型件302移 动。应该认识到，驱动轴405的驱动源可以是计算机控制的或者可以是手动启动和关 闭。优选地，提供常规安全装置以防止板300被压得离预成型件302太近，并且还防止扭矩 过大。例如，如果超过阈值扭矩，可以允许驱动轴405相对于驱动源滑动。还应该认识到，锥齿轮407、409的所示布置方式严格而言只是举例说明。在该变 化形式的不同实例中，可以将滚珠螺杆组件直接驱动旋转，以提供穿孔板300的上述线性 移动。 在图5a和图5b中，板300以大致类似于图4a和图4b中所示的方式进行安装。然 而，在这里，夹具306是推杆500连接的安装点，该推杆500沿着的预成型件302、板300和 扁平感应线圈400的组合的中心轴线X向外延伸。推杆500可以通过任意合适的线性运动 源从薄膜沸腾反应腔室的外部进行驱动。虽然在这里没有具体描述，可以预期的是，推杆500将会以滑动方式延伸通过致 密化装置的反应腔室的壁。这会需要在推杆500通过反应腔室的壁的点围绕推杆500提供 密封。对本领域技术人员来说显而易见的是，这种密封需要从对于液体前体的泄露能够提 供充分密封的材料中进行选择，选择的依据是操作环境以及杆500对于密封的负载。同样， 推杆500也必须由能够承受薄膜沸腾致密化装置中的操作环境的材料制成。对于这一点， GlO或其它陶瓷或合成材料都是不错的候选材料。这种方法具有与使用直接包裹盘的隔绝层类似的好处，例如上文描述的开放孔隙 网格材料。所述好处例如，对所述部件进行完全致密化的最大所需能量总体上降低了。同 样，在被致密化的部部件的核心区域的致密化上没有负面效果，在被致密化的产品的表面 上具有改善的致密化均勻性。最后，在致密化工序之前不需要部件本身的特别准备——合 适的相同构造的致密化装置能够用于多种部件。这导致了致密化工序有效进行中的时间和 成本的节省。这种方法是对于美国专利申请第12/210，228号中描述的方法的改善，其改善之 处在于穿孔板300仅仅在能量水平正被提升时在致密化工序的末期才被放置到位。在那 一时刻，致密化前线通常接近被致密化的产品的外围表面，上述气体前体层保持在穿孔板 300和被致密化的产品表面之间，从而促进了朝向预成型件的表面的致密化。预成型件的表 面和穿孔板之间的距离可以通过使用间隔器而维持，所述间隔器例如是由陶瓷制成的销或 杆，并且布置在预成型件和穿孔板之间。穿孔板是通过举例说明的方式在这里提及的。板300也可以是实心的(即，没有 穿孔)，或者被穿孔为每单位表面积具有恒定数量的孔(即，一种网格或筛子)，或者仅在其 特定区域穿孔。然而，这里优选的实例还是根据涉及图3的描述而穿孔。实验表明，穿孔板和预成型件表面之间的最大距离是大约5mm，超过这个值就观察不到穿孔板的效果，高至70W/cm2的最大能量。在远离预成型件表面3mm处并且在70W/cm2处，通过围绕的液体/蒸气进行的穿孔板300的冷却仍然足以允许GlO用于制造穿孔板300 (G10是试验过的温度最低的材料)。正如最初所述，在本发明的第一和第二实施例中，致密化周期的大部分在相对较 低的能量下实现，因为预成型件本身使得预成型件的核心或内部部分与相对温度较低的液 体前体隔绝。仅仅在致密化前线接近盘的边缘(几毫米)时能量才需要显著增加(典型地 增加最初能量水平的四至五倍)。因此，本发明包括实现致密化周期的两个步骤“低能量”致密化的第一步骤，其中 磨损表面上不进行隔绝，并且致密化前线来到表面之下几毫米，完成了体积的50%至80% 的致密化；以及“修整”致密化，其中使用这里描述的本发明的第一或者第二实施例来隔绝 磨损表面，直到合适的体积致密化完成时能量才增大。对于向预成型件提供隔绝的时刻取决于能量控制技术，例如共同的在审PCT专利 申请PCT/EP2007/058197中所公开的那样。在上述低能量致密化的第一步骤过程中，能量 随着时间有最小的波动。通常有非常微小的能量增加(通常小于大约OJW/mirT1)。在第 二修整步骤中，能量增加率更加显著——在大约0. 2ff/min-1至大约1. SW/mirT1之间。隔绝 材料(即，第一实施例的网格组件100或第二实施例的穿孔板300)的移动在这两个步骤之 间进行。图6图示了用于预成型件的支架的一个实例，可用于本发明的第一或第二实施 例。概括而言，支架组件600包括支承在腿部604上的下部602。典型地，腿部延伸至薄膜 沸腾反应腔室(未示出)的较低底板，其尺寸和安装方式使其能够提供对于所支承的预成 型件(以605示意性地表示)的基本稳定的机械支承。支架组件600进一步包括上部606，其尺寸使其能够与下部602相对应，以将预成 型件605支承在它们之间。上部606可以通过常规方式与下部602接合，例如通过常规夹 子、螺钉或螺栓，在这里没有明确图示出，从而将凸缘构件602a和606a固定在一起。凸缘 构件602a也可以是腿部604连接至支架的其余部分的点。上部606和下部602中的一个或者二者可以在其各自的轴向边缘上具有径向向内 延伸的唇部或凸缘，从而在其间限定出保留沟槽，预成型件605的径向最外边缘容纳于该 保留沟槽中，以更好地将预成型件605保持并支承在支架组件600中。在轴向位于预成型 件605之外的这些唇部或凸缘的尺寸可以使其充当间隔器，以使得本发明的第一和第二实 施例中的网格组件100或穿孔板300与预成型件保持较小距离(几毫米)。为了更好地理 解这种布置，可以参见图2b、图4b和图5b。上部606和下部602中的一个或者二者可以由合成材料制成，例如纤维(特别是 玻璃纤维)增强混凝土或者适合于在薄膜沸腾反应腔室内操作调节的其它合成或非合成 材料。上部606和下部602中的一个或者二者可以使用已知的制作方法来进行穿孔(例如， 在大约20%到大约40%之间的开放区域)，以使得液体前体能够在致密化过程中到达预成 型件605的外围边缘。本领域技术人员将会理解，为了清楚地描述本发明，图2a、图2b、图4a、图4b、图5a 和图5b省略了某些常规特征，例如用于各种驱动杆和推杆的支承件。这种特征在本领域中 是已知的，并不构成本发明的一部分。
虽然已经参考描述和解释本发明的某些特别实例而对本发明进行了描述，如上文 所述，但应该理解的是，本发明并不仅限于以这些实例的特定细节为参考。更加具体地，本领域技术人员会容易地认识到，在不背离所附权利要求书中所限定的本发明的范围的情况 下，可以对优选实施例进行多种修改和发展。
权利要求
一种对多孔基质进行致密化的方法，包括在反应腔室中，将多孔基质浸入在液体前体中，从而使得所述液体前体渗透所述多孔基质中的毛孔；以及使用第一能量水平，将浸入的多孔基质感应加热至足以使得液体前体使得分解产品热解并沉积在所述基质的所述毛孔内的温度，以对所述多孔基质进行致密化；在所述多孔基质内的致密化区域接近所述多孔基质的外表面时将能量水平增加至所述第一能量水平之上；其特征在于，所述方法包括当所述能量水平增加至所述第一能量水平之上时将一种屏障移动为至少接近所述多孔基质的表面，所述屏障构造和布置为允许所述液体前体和所述多孔基质之间的一些接触。
2.根据权利要求1所述的对多孔基质进行致密化的方法，其中所述屏障包括多孔网格 材料层。
3.根据权利要求2所述的对多孔基质进行致密化的方法，其中所述多孔网格材料层具 有在大约30%到大约60%之间的开放孔隙率。
4.根据权利要求3所述的对多孔基质进行致密化的方法，其中所述多孔网格材料层是 聚四氟乙烯网格材料。
5.根据权利要求2至4所述的对多孔基质进行致密化的方法，其中所述多孔网格材料 层在其外围由刚性框架所支承。
6.根据权利要求1所述的对多孔基质进行致密化的方法，其中所述屏障包括布置为总 体上平行于所述多孔基质的表面的至少一个板构件。
7.根据权利要求6所述的对多孔基质进行致密化的方法，其中所述屏障包括位于所述 多孔基质的相对两侧的两个基本平行的板构件。
8.根据权利要求7所述的对多孔基质进行致密化的方法，其中所述两个基本平行的板 构件之间的外围区域对于所述液体前体是开放的。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的对多孔基质进行致密化的方法，其中所述液体前 体包括碳氢化合物。
10.根据权利要求1所述的对多孔基质进行致密化的方法，其中所述分解产品包括碳。
11.根据权利要求9所述的对多孔基质进行致密化的方法，其中所述碳氢化合物是从 由下列物质组成的组中选择的环戊烷、环己烷、1-己烯、汽油、甲苯、甲基环己烷、正己烷、 煤油、水脱硫煤油、苯或者它们的组合物。
12.根据权利要求1所述的对多孔基质进行致密化的方法，其中所述液体前体包含有 机硅烷。
13.根据权利要求12所述的对多孔基质进行致密化的方法，其中所述有机硅烷是从由 下列物质组成的组中选择的甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、甲基二氯硅烷或者三-η-甲基氨基硅烷。
14.根据权利要求12所述的对多孔基质进行致密化的方法，其中所述分解产品包括碳 化硅和氮化硅。
15.根据权利要求1所述的对多孔基质进行致密化的方法，其中所述液体前体是有机 硅烷和碳氢化合物的混合物。
16.根据权利要求14所述的对多孔基质进行致密化的方法，其中所述分解产品是碳/ 碳化硅或碳/氮化硅其中之一。
17.一种使用液体母体前体对多孔基质进行致密化的反应器，包括反应腔室；布置在所述反应腔室中的至少一个感应线圈加热组件；以及屏障组件，待致密化的多孔基质容纳于所述屏障组件中，所述屏障组件包括两个基本 平行的屏障，所述屏障构造并布置为能够选择性地朝向和远离容纳在平行屏障之间的多孔 基质移动。
18.根据权利要求17所述的使用液体母体前体对多孔基质进行致密化的反应器，其中 所述两个基本平行的屏障构造并布置为能够选择性地在距离容纳在平行屏障之间的多孔 基质Imm到5mm之间移动。
19.根据权利要求17或18所述的使用液体母体前体对多孔基质进行致密化的反应器， 其中每个屏障都包括多孔网格材料层。
20.根据权利要求19所述的使用液体母体前体对多孔基质进行致密化的反应器，其中 所述多孔网格层具有在大约30%到大约60%之间的开放孔隙率。
21.根据权利要求19或20所述的使用液体母体前体对多孔基质进行致密化的反应器， 其中所述多孔网格层是PTFE网格材料。
22.根据权利要求17或18所述的使用液体母体前体对多孔基质进行致密化的反应器， 其中每个屏障都是穿孔板构件。
23.根据权利要求17所述的使用液体母体前体对多孔基质进行致密化的反应器，其中 所述屏障的外围区域是开放的。
24.根据权利要求17或18所述的使用液体母体前体对多孔基质进行致密化的反应器， 进一步包括用于容纳多孔基质的支架组件，所述支架组件包括支承在多个腿部上的下部；上部，所述上部的尺寸使所述上部能够与所述下部相配合，以将多孔基质支承在它们 之间；其中所述上部和所述下部中的一者或者二者在其相反边缘上具有径向向内延伸的唇 部，以在其间限定出保持沟槽。
25.根据权利要求24所述的使用液体母体前体对多孔基质进行致密化的反应器，其 中所述径向向内延伸的唇部充当间隔器，以使得所述多孔基质与各个总体上平行的屏障分罔。
全文摘要
对多孔产品进行致密化的装置和方法。特别地，所公开的方法和装置通过选择性地提供一种屏障而使得基质能够更加完全地致密化(即，致密化更加接近基质的表面)，所述屏障减少了由比诸如碳的致密化材料的温度相对较低的沸腾液体前体接触引起的被致密化的基质表面的冷却。特别地，基质和液体前体之间的接触通过使用物理屏障(例如网格材料)或结构(例如与多孔基质的表面接近地分离的板)的一者或者二者而减少，所述结构促进了在基质和液体前体之间形成隔绝气体层。所述屏障在接近薄膜沸腾致密化工序的末期时应用的能量水平急剧增加(这是已知的)之前移动至操作位置。
文档编号C04B35/622GK101870589SQ20101016200
公开日2010年10月27日 申请日期2010年4月15日 优先权日2009年4月25日
发明者A·菲永 申请人:马塞尔-布加蒂股份有限公司