[實用新型]液相熱解沉積制備炭纖維增強炭基復合材料的裝置

有效

• 申請號: 201420430302.8
• 申請日: 2014-07-31
• 公開（公告）號: CN203999390U
• 公開（公告）日: 2014-12-10
• 發明（設計）人: 襲建人;楊曉濤;齊廣慧;叢紅梅;譚妮克
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C04B35/83
• 分類號: C04B35/83
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李鵬

技術領域

本實用新型涉及材料加工設備領域，特別涉及到一種快速液相熱解沉積制備炭纖維增強炭基復合材料的裝置。

背景技術

炭/炭復合材料是目前新材料領域重點研究和開發的一種新型超高溫熱結構材料，具有低密度、高強度、高比模、低燒蝕率、高抗熱震性、低線膨脹系數(僅為金屬的1/5～1/10)、熱導率高、耐燒蝕、耐磨性能和抗疲勞性能良好等優點，特別是抗疲勞性能復合材料在1000℃～2300℃時強度隨溫度升高而升高，是理想的航空航天及其它工業領域的高溫材料。美國上世紀九十年代就開展了低成本快速制備的研究工作，美國國家航空航天局(NASA)已成功的將低成本快速制備炭/炭材料的其應用到了飛機剎車盤和喉襯等。

炭/炭復合材料的首次出現是于1958年在Chance Vought航空公司實驗室偶然得到的，炭/炭復合材料技術在最初十年間發展的很慢，到六十年代末期，才開始發展成為工程材料中新的一員，自七十年代，在美國和歐洲得到很大發展，推出了炭纖維多向編織技術，高壓液相浸漬工藝及化學氣相浸漬法(CVI)，有效地得到高密度的炭/炭復合材料，為其制造、批量生產和應用開辟了廣闊的前景。八十年代以來，炭/炭復合材料的研究極為活躍，前蘇聯、日本等國也都進去這一先進領域，在提高性能、快速致密化工藝研究及擴大應用等方面取得很大進展。

化學氣相沉積技術(Chemical vapor deposition，簡稱CVD)是目前國內外制備炭/炭復合材料應用時間長、技術成熟度高的主要工藝，該工藝是在具有貫通間隙的坯體或纖維編織體骨架中沉積碳基體，其工藝為纖維編織體骨架或坯體置于化學氣相沉積爐內，通入沉積反應源氣，在沉積溫度下熱解或發生反應，生成所需的炭/炭復合材料，沉積在坯體的孔隙中，并逐步填滿。CVD工藝的優點是:復合材料在制備過程中纖維受到的機械損傷和化學損傷小；可以制備纖維多向排布、編織和復雜形狀的制品；可用于制備組成可調的梯度功能復合材料，該工藝技術成熟度高，目前被大量使用。目前常見的有常壓CVD、低壓CVD、等離子CVD、熱CVD、間隙CVD和激光CVD等方法。但CVD技術也存在不足:坯體中的孔隙在CVD過程中容易堵塞或形成閉孔，即使提高壓強，反應源氣體也無法進入，因而難以獲得高致密性的復合材料，往往需要進行多次沉積、表面加工、熱處理等工序，其有效沉積時間長達1000小時以上，生產周期3～4個月，生產效率和材料利用率低，生產成本高，目前主要用于生產航空航天耐熱結構件，難以滿足民用產品成本低、需求量大的實際需求。

CVI工藝與CVD相比具有效率高、速度快、密度高、強度高、韌性高、臨界應變值高，可以制備大尺寸部件等諸多優點。常規的CVI工藝是等溫CVI，它具有能在同一反應爐中同時沉積多個或不同形狀的預制件的優點，但只能沉積簡單的薄壁件，對于粗厚型件內部往往出現孔洞，存在致密性差，材料沉積不均勻的問題，同時其工藝周期特別長，材料制備成本較高。盡管為了降低成本，縮短工藝周期和優化工藝，陸續出現了脈沖法、熱梯度法、壓差溫度梯度法等。此外還有激光CVI(LCVI)法、強制流動熱梯度CVI法(FCVI)、微波CVI法(MWCVI)等，但這些工藝由于設備復雜、工藝要求高、生產成本高等原因而沒有產業化生產。

化學液氣相法(CLVD)能大幅度縮短制備周期，但是受其設備和加熱方式的局限性，存在預制體受熱不均，導致表面或者芯部致密程度不均勻，而且放大生產困難，尚停留在實驗室階段，無法在實際中應用。

炭/炭復合材料制備工藝和制備裝置的資料表明，對于該類復合材料的制備所采用的熱源均為單一熱源，設備多由反應容器與加熱裝置、冷凝排氣系統、進料系統、測溫系統和保護系統組成，制備過程中用氮氣進行保護，采用單一直流加熱或感應加熱方式，加熱效率低，難以形成理想的可控的溫度場和溫度梯度，多數工藝僅在實驗室范圍內進行了實驗，沒有實現工業化規模生產和應用，而技術成熟度和應用較多的CVD工藝生產周期長、原料利用率低、難以獲得高密度炭/炭復合材料，生產能力有限且制品價格高昂，難以在民用領域推廣性能優良的制品，不能滿足國民經濟快速發展和世界范圍內對節能減排的需求。

實用新型內容

本實用新型的目的是克服原有方法制備炭/炭復合材料生產周期長、生產成本高、原料利用率低、耗能大等不足，提供一種快速液相熱解沉積制備炭/炭復合材料的裝置，滿足國民經濟尤其是民用領域發展對高性能低成本炭/炭復合材的需求。本實用新型的基本構思是，設計一種快速液相熱解沉積制備炭/炭復合材料的裝置。