[發(fā)明專利]碳/碳/碳化硅復(fù)合材料發(fā)熱體及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210230687.9
• 申請日: 2012-07-05
• 公開（公告）號: CN102718540A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 廖寄喬;李軍;龔玉良;邰衛(wèi)平;王躍軍;譚周建;李丙菊
• 申請（專利權(quán)）人: 湖南金博復(fù)合材料科技有限公司
• 主分類號: C04B35/83
• 分類號: C04B35/83;C04B35/80
• 代理公司: 益陽市銀城專利事務(wù)所 43107
• 代理人: 舒斌;夏宗福

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種高溫爐用熱場零件及制備方法，具體地說是一種碳/碳/碳化硅復(fù)合材料發(fā)熱體及制備方法。

背景技術(shù)

碳/碳復(fù)合材料是目前廣泛應(yīng)用的先進(jìn)復(fù)合材料之一，它是由碳纖維或各種碳織物增強(qiáng)碳基體所形成的復(fù)合材料，具有密度低，比強(qiáng)度高，耐磨損，耐高溫、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)良性能。該材料通常先用碳纖維制成的網(wǎng)胎與網(wǎng)胎、或碳布與碳布、或網(wǎng)胎與碳布通過交替疊層針刺復(fù)合成碳纖維預(yù)制體，然后將預(yù)制體放入化學(xué)氣相反應(yīng)爐中，利用高溫下碳源氣體裂解產(chǎn)生的熱解碳對預(yù)制體進(jìn)行化學(xué)氣相增密，使碳纖維預(yù)制體密度逐步增加而成為碳/碳復(fù)合材料。該材料現(xiàn)已成為航空航天、冶金、新能源等領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)材料之一，是石墨制品和耐熱鋼的理想替代品。

目前，碳/碳復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于如單晶爐、多晶爐等高溫領(lǐng)域，用來制作熱場零件，如坩堝、導(dǎo)流筒、保溫筒、發(fā)熱體、緊固件等。

文獻(xiàn)1：“C/C復(fù)合材料制造硅晶體生長坩堝初探，炭素，2004(2):?P3～P7”公開了一種試制的C/C復(fù)合材料坩堝進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，結(jié)果表明C/C復(fù)合材料機(jī)械強(qiáng)度高、耐熱沖擊性能和化學(xué)穩(wěn)定性好，其使用壽命高于高純石墨坩堝，然而，試驗(yàn)結(jié)果也發(fā)現(xiàn)了C/C復(fù)合材料坩堝的缺陷，氧化侵蝕（SiO₂和Si）對C/C復(fù)合材料坩堝的使用壽命影響很大。

申請人為了解決高溫硅蒸汽對C/C復(fù)合材料使用性能的影響，對硅單晶生產(chǎn)廠家使用后的C/C復(fù)合材料坩堝進(jìn)行了分析實(shí)驗(yàn)，并采用了材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（美國Instron3369材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)）測試試樣的力學(xué)性能，掃描電鏡（SEM，JSM～6360LV）分析材料的微觀結(jié)構(gòu)，X射線能譜儀（EDS，?EDX～GENESIS?60S型）分析試樣表面元素分布，結(jié)果見圖1、圖2、圖3、圖4。從圖1、圖2中可以看出硅蒸汽侵蝕后試樣內(nèi)部生成了很多其它物質(zhì)；從圖3、圖4中可以得知，所生成的其它物質(zhì)是碳化硅（或者硅和碳化硅的混合物）；同時對其力學(xué)性能測試結(jié)果表明未經(jīng)侵蝕的試樣抗彎強(qiáng)度為105MPa，被嚴(yán)重侵蝕的試樣抗彎強(qiáng)度僅為24.5MPa，與石墨的強(qiáng)度相近，說明硅蒸汽侵蝕是導(dǎo)致C/C復(fù)合材料坩堝失效的主要原因。

為了解決高溫硅蒸汽對C/C復(fù)合材料使用性能的影響，就目前的技術(shù)而言，最常用的方法就是做表面涂層，主要是硅基陶瓷涂層（如SiC或MoSi₂等）。

文獻(xiàn)2“原位生長碳納米管對化學(xué)氣相沉積SiC涂層的影響，中國有色金屬學(xué)報(bào)，2011，(2):?P418～P424”介紹了一種以C/C復(fù)合材料為基體，采用化學(xué)氣相沉積法在復(fù)合材料表面制備SiC涂層，結(jié)果表明：經(jīng)(1100℃，3min)(室溫，3min)熱循環(huán)15次后，SiC涂層失重率為33.17%，熱震過程中部分區(qū)域涂層脫落是涂層試樣失重的主要原因。可見，由于C/C復(fù)合材料基體和SiC涂層之間熱膨脹系數(shù)不匹配，制備的涂層與C/C復(fù)合材料基體的結(jié)合性較差，在急冷急熱過程中容易脫落，不能長時間的保護(hù)C/C復(fù)合材料不被侵蝕。

針對陶瓷基涂層與C/C復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)不匹配的缺陷，最好的解決方案就是通過化學(xué)氣相滲透（簡稱CVI）法把SiC滲透到C/C復(fù)合材料內(nèi)部，從而形成C/SiC或者C/C-SiC復(fù)合材料，常用的方法有化學(xué)氣相滲透、先驅(qū)體轉(zhuǎn)化（簡稱PIP）法或CVI＋PIP法。

文獻(xiàn)3“C/C-SiC復(fù)合材料制備方法及應(yīng)用現(xiàn)狀，炭素,?2008(2):?P29～P35”介紹了C/C-SiC復(fù)合材料的制備方法，分析了各種制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)，尤其對常用的PIP法和新發(fā)展起來的CVI+PIP混合工藝進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。文獻(xiàn)指出采用單一的CVI法很難制備出高密度的C/SiC或者C/C-SiC復(fù)合材料，而采用單一的PIP法或者CVI+PIP法雖然能制備出高密度的C/SiC或者C/C-SiC復(fù)合材料，然而在PIP過程中會殘留一定量的Si，自由Si不可避免會與碳纖維發(fā)生反應(yīng)，造成增強(qiáng)相碳纖維的損傷，導(dǎo)致碳纖維增韌補(bǔ)強(qiáng)作用降低，從而使材料的綜合性能下降，特別是力學(xué)強(qiáng)度大幅降低，導(dǎo)致材料災(zāi)難性斷裂。同時，其工藝流程復(fù)雜，需要反復(fù)浸漬多次。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種制備工藝簡單、耐硅蒸汽侵蝕的碳/碳/碳化硅復(fù)合材料發(fā)熱體及制備方法。