[實用新型]制備炭/炭構(gòu)件的溫度梯度定向流動氣相沉積爐

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200720173141.9
• 申請日: 2007-09-14
• 公開（公告）號: CN201144282Y
• 公開（公告）日: 2008-11-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 羅瑞盈;張云峰;羅京華;李進松
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: C23C16/26
• 分類號: C23C16/26;C23C16/52
• 代理公司: 北京慧泉知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 王順榮

(一)技術(shù)領(lǐng)域：

本實用新型涉及一種用于化學(xué)氣相滲透(CVI)工藝制造炭/炭構(gòu)件的裝置，屬于復(fù)合材料加工設(shè)備領(lǐng)域。

(二)背景技術(shù)：

炭/炭構(gòu)件(C/C)即炭纖維增強炭基體復(fù)合材料，自其問世以來，因其具有許多其他材料無可比擬的優(yōu)異性能而越來越受到人們的重視。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，C/C的質(zhì)輕，膨脹系數(shù)低，熱導(dǎo)率高，耐熱沖擊性能好，2200℃以內(nèi)，強度隨溫度的升高而增加，能在極其苛刻的高溫條件下長時間工作，耐熱沖刷，可用于制造航空發(fā)動機的熱部件如渦輪葉片、火焰筒等，還可作結(jié)構(gòu)件用在飛機的主翼和副翼以及導(dǎo)彈的鼻錐上。C/C作為摩擦用剎車材料，比金屬材料剎車更穩(wěn)定、磨損率更低、使用壽命更長，已成為當(dāng)今飛機用最理想的剎車材料。在航空航天的諸多尖端技術(shù)領(lǐng)域，C/C愈來愈占據(jù)著不可替代的位置，C/C的獨特性能和應(yīng)用價值已得到普遍肯定。然而，C/C的制造工藝復(fù)雜，技術(shù)難度大，原材料價格昂貴，制品的成本長期以來居高不下，限制了其在航空航天、軍用，特別是民用領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

目前，國內(nèi)外采用的溫度梯度CVI工藝制備炭/炭復(fù)合材料的裝置主要有三種類型：第一種類型是采用電阻式或中頻感應(yīng)式的內(nèi)熱外冷溫度梯度CVI工藝設(shè)備，其特征是發(fā)熱體在預(yù)制體的內(nèi)側(cè)，外側(cè)靠爐壁水冷，在預(yù)制體的徑向建立由內(nèi)至外的溫度梯度；第二種類型是采用電阻式或中頻感應(yīng)式加熱預(yù)制體的上端面，下端面為低溫面，在其厚度方向建立溫度梯度；第三種是采用電阻式或中頻感應(yīng)式加熱預(yù)制體的外側(cè)，內(nèi)部裝有水冷柱，在預(yù)制體徑向建立由外至內(nèi)的溫度梯度。上述第一種和第三種設(shè)備，具有適應(yīng)各類型圓盤形炭/炭構(gòu)件結(jié)構(gòu)特點的特色，但因第一種的預(yù)制體的外側(cè)和第三種預(yù)制體的內(nèi)側(cè)溫度偏低，易形成光滑層熱解炭基體，其摩擦性能較差。第二種預(yù)制體厚度方向溫度梯度的設(shè)備，只能單件生產(chǎn)，不適應(yīng)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。

(三)實用新型內(nèi)容：

本實用新型的目的在于：提供一種制備炭/炭構(gòu)件的溫度梯度定向流動氣相沉積爐，以提高前驅(qū)體利用率，縮短制備周期，制備高質(zhì)量的炭/炭構(gòu)件，降低成本費用，為國內(nèi)生產(chǎn)、使用炭/炭構(gòu)件提出一種合適的裝置。

本實用新型一種制備炭/炭構(gòu)件的溫度梯度定向流動氣相沉積爐，在保證獲得密度均勻和熱解炭結(jié)構(gòu)均一炭/炭構(gòu)件的前提下，最大限度地減小沉積系統(tǒng)的能量消耗和提高前驅(qū)體利用率，其技術(shù)方案為：

該沉積爐由爐蓋、石墨坩堝蓋、石墨蓋板、保溫層、圓盤形預(yù)制體、石墨坩堝、石墨發(fā)熱體、保溫氈、爐壁、石墨托物臺、坩堝支架、銅電極、爐底、進氣孔、熱電偶、抽氣孔組成；進氣孔設(shè)置在爐底上，氣體通過石墨托物臺中間的孔進入預(yù)制體內(nèi)部，由氣體流量與內(nèi)部壓力來控制圓盤形預(yù)制體內(nèi)外側(cè)的溫度差；銅電極上連有石墨發(fā)熱體并固定在爐底上，保溫氈置于石墨發(fā)熱體外部；用于測量內(nèi)側(cè)溫度及外側(cè)溫度的熱電偶分別固定在爐底和爐壁上；爐底上還固定有支撐石墨坩堝的坩堝支架；石墨托物臺位于石墨坩堝的底部；圓盤形預(yù)制體與石墨蓋板之間、圓盤形預(yù)制體與石墨托物臺之間分別由保溫層4隔開。氣態(tài)前驅(qū)體由進氣孔進入圓盤形預(yù)制體內(nèi)，由于抽氣孔不斷的抽氣，在預(yù)制體內(nèi)外形成外高內(nèi)低的氣壓差，使得氣態(tài)前驅(qū)體通過圓盤形預(yù)制體進入石墨坩堝內(nèi)，最后由抽氣孔將通過圓盤形預(yù)制體的氣體抽走。由于氣體流動帶走大部分熱量，使得預(yù)制體內(nèi)側(cè)溫度降低，而外圍溫度較高，在預(yù)制體徑向形成外熱內(nèi)冷的溫度梯度，氣體定向由低溫區(qū)流向高溫區(qū)；采用兩種密度與孔隙率相差較大的預(yù)制體，使氣體無滯留，順暢通過預(yù)制體，氣態(tài)前驅(qū)體全部通過預(yù)制體，使氣體的利用率大幅度提高，縮短了制備周期；且可根據(jù)氣體的流量和壓力來控制溫度梯度的大小。

其中，該石墨托物臺中間設(shè)有供氣體進入預(yù)制體內(nèi)部的孔。

本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

(1)由于內(nèi)部氣體流動帶走大部分熱量，在圓盤預(yù)制體的徑向建立了弱溫度梯度；

(2)由于采用兩種密度與孔隙率均相差較大的預(yù)制體，在預(yù)制體外側(cè)與內(nèi)側(cè)存在壓差，這樣氣體定向流過預(yù)制體孔隙，使碳源氣體甲烷(CH4)全部通過預(yù)制體，提高了其利用效率，且氣體定向流動的路徑通暢，無氣體滯留，可防止碳黑的形成；

(3)一次可裝預(yù)制體30～40件，在200～250小時可制備出密度1.73g/cm³的炭/炭構(gòu)件，具有生產(chǎn)周期短、產(chǎn)品成本低的特點，而且適用于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)；

(4)具有適應(yīng)各規(guī)格圓盤形炭/炭構(gòu)件，且在炭/炭構(gòu)件的摩擦面上得到粗糙層結(jié)構(gòu)熱解炭基體，具有摩擦性能好、熱效率高的特點，且設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單。