專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高性能炭基復(fù)合材料快速定向滲積氣流控制的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高性能炭基復(fù)合材料滲積氣流控制技術(shù)，特別是涉及一種高 性能炭基復(fù)合材料快速定向滲積氣流控制的方法，屬于炭基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域。
(二)
背景技術(shù)：
炭基復(fù)合材料由于其獨(dú)特的力學(xué)和熱物理性能，已制作成飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)和火箭 發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。目前，世界各炭基復(fù)合材料生產(chǎn)公司主要采 用天然氣、丙烯、丙垸等作為碳源氣體和氫氣、氮?dú)獾茸鳛橄♂寶怏w制備炭纖維 增強(qiáng)炭基復(fù)合材料。炭基復(fù)合材料滲積制備過(guò)程中的氣流控制決定著熱解炭的結(jié) 構(gòu)、滲積速率快慢、熱解炭前軀體利用率和滲積過(guò)程工藝穩(wěn)定性等。氣體在滲積 室的擴(kuò)散不合理容易造成滲積室內(nèi)炭黑的生成，炭基復(fù)合材料密度不均勻，熱解 炭結(jié)構(gòu)不一致，炭基復(fù)合材料性能差等結(jié)果。氣體在滲積室內(nèi)的有效混合、預(yù)熱 和有序擴(kuò)散等能夠加快前軀體在預(yù)制體內(nèi)的滲積，獲得均勻結(jié)構(gòu)熱解炭，提高前 驅(qū)體利用率，解決目前炭基復(fù)合材料制備周期長(zhǎng)、熱解炭前軀體利用率低，滲積 過(guò)程預(yù)制體表面容易結(jié)殼且需要多次機(jī)械加工去殼等問(wèn)題。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
1、 目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)在制備炭基復(fù)合材料過(guò)程中容易表面結(jié)殼，沉 積速率慢，產(chǎn)品生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種高性能炭基復(fù)合材料快速定 向滲積氣流控制的方法，它能有效的使氣體混合、預(yù)熱和定向擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)熱解炭 從預(yù)制體內(nèi)部向外部逐漸沉積和在炭纖維表面沉積結(jié)構(gòu)均一熱解炭，提高了滲積 速率和前軀體利用率，有效地避免了在快速定向滲積過(guò)程中炭黑的生成。
2、 技術(shù)方案-
如圖1所示， 一種高性能炭基復(fù)合材料快速定向滲積氣流控制設(shè)備，它由氣 體流量控制裝置、氣體混合裝置、氣體預(yù)熱裝置以及氣體輸出和滲積爐壓裝置四 部分組成。它們之間的連接、位置關(guān)系是氣體流量控制裝置通過(guò)管道與氣體混 合裝置上的進(jìn)氣口相連通；氣體預(yù)熱裝置位于氣體混合裝置之上，它們都被放置
3在滲積爐壁之內(nèi)；氣體輸出和滲積爐壓裝置通過(guò)管道與氣體混合裝置上的出氣口 相連通。
所述氣體流量控制裝置，是由氣體闊門(mén)、質(zhì)子流量計(jì)、管道組成； 所述氣體混合裝置，是由帶孔石墨圓板、墊片、石墨圓筒、進(jìn)氣口組成； 所述氣體預(yù)熱裝置，是由出氣口、滲積爐壁、加熱石墨套筒、石墨蓋板、石
墨墊片、預(yù)制體、石墨導(dǎo)流裝置、通孔、石墨圓板、帶孔石墨圓板組成；
所述氣體輸出和滲積爐壓裝置，是由氣體冷卻裝置、電動(dòng)執(zhí)行器、真空泵、
尾氣處理裝置、氣體閥門(mén)組成。
本發(fā)明一種炭基復(fù)合材料快速定向滲積氣流控制方法，該方法具體步驟如下: 步驟一氣體的輸入將預(yù)制體按圖l安放在滲積爐內(nèi)，蓋上石墨蓋板，抽
真空加熱預(yù)制件，通過(guò)氣體控制閥和質(zhì)子流量計(jì)調(diào)節(jié)碳源氣體天然氣、丙烷和稀
釋氣體氫氣等多種氣體的流量，以獲得需要的流量和配比； 其中，滲積爐的爐內(nèi)真空度為一0.1MPa;
步驟二氣體的混合上述碳源氣體天然氣、丙垸和稀釋氣體氫氣等多種氣 體進(jìn)入石墨導(dǎo)流裝置即導(dǎo)流石墨圓筒，通過(guò)氣體混合裝置內(nèi)的多層帶孔石墨圓板 和墊片，多種氣體混合均勻，可以避免預(yù)制體不同位置滲積后的熱解炭結(jié)構(gòu)不一 樣，造成滲積后的炭基復(fù)合材料各部分性能不一致；
其中，石墨圓板的厚度為10mm 15mm;
其中，墊片的厚度為15 25mm;
其中，導(dǎo)流石墨圓筒的高度為200mm 300mm。
步驟三氣體的預(yù)熱上述碳源氣體天然氣、丙烷和稀釋氣體氫氣等多種氣 體通過(guò)預(yù)熱裝置，很短的時(shí)間內(nèi)在爐內(nèi)均溫區(qū)預(yù)熱。預(yù)熱過(guò)程可以使上述多種氣 體到達(dá)預(yù)制件時(shí)，溫度達(dá)到滲積溫度，提高氣體利用率；
步驟四氣體的輸出和滲積爐壓控制真空泵將上述碳源氣體天然氣、丙垸 和稀釋氣體氫氣等多種氣體抽出，通過(guò)電動(dòng)執(zhí)行器調(diào)節(jié)爐壓，已控制滲積爐內(nèi)壓 力和氣流在滲積爐內(nèi)停留時(shí)間，達(dá)到最佳滲積效果。
其中，氣體冷卻裝置安裝在電動(dòng)執(zhí)行器之前，電動(dòng)執(zhí)行器和氣體閥門(mén)平行安裝。
3、優(yōu)點(diǎn)及功效本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)
1)多層帶孔石墨板的堆積，工裝簡(jiǎn)單，但很好的實(shí)現(xiàn)了多種氣體在爐內(nèi)混合和初步預(yù)熱同時(shí)進(jìn)行，節(jié)約了能耗。特別是對(duì)于氣體大流量快速滲積時(shí)，氣體 的混合和初步預(yù)熱非常必要。
2) 多種氣體在滲積爐等溫區(qū)的預(yù)熱，很好的實(shí)現(xiàn)了氣流預(yù)熱，保證氣流到 達(dá)預(yù)制件表面時(shí)，溫度達(dá)到預(yù)定的溫度。
3) 通過(guò)電動(dòng)調(diào)制器和真空泵可以很好的條件爐內(nèi)壓力和氣流停留時(shí)間，確 保獲得預(yù)定結(jié)構(gòu)組織的熱解炭。
4) 本發(fā)明技術(shù)可以推廣到SiC基體的滲積，適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的快速定向滲 積，氣流流動(dòng)通暢，不會(huì)在滲積爐內(nèi)形成"死區(qū)"，有效抑制炭黑等雜質(zhì)的生成。


圖1本發(fā)明實(shí)施設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖
圖中符號(hào)說(shuō)明如下 1—出氣口； 4—石墨蓋板； 7—石墨導(dǎo)流裝置； 10—帶孔石墨圓板； 13—進(jìn)氣口；
3—加熱石墨套筒； 6—預(yù)制體； 9—石墨圓板； 12—石墨圓筒；
15—質(zhì)子流量計(jì)；
2—滲積爐壁； 5—石墨墊片； 8—通孔； ll一墊片； 14一氣體控制閥；
16—?dú)怏w流量控制裝置；17—?dú)怏w輸出和滲積爐壓裝置；18—?dú)怏w混合裝置； 19一氣體預(yù)熱裝置；20—?dú)怏w冷卻裝置；21—電動(dòng)執(zhí)行器；22—真空泵； 23—尾氣處理裝置；24—?dú)怏w閥門(mén)。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明一種炭基復(fù)合材料快速定向滲積氣流控制方法，在快速 定向滲積氣流控制設(shè)備中實(shí)施，該控制設(shè)備由氣體流量控制裝置16，氣體混合 裝置18，氣體預(yù)熱裝置19以及氣體輸出和滲積爐壓裝置17四部分組成。它們 之間的連接、位置關(guān)系是氣體流量控制裝置16通過(guò)管道與氣體混合裝置18 上的進(jìn)氣口13相連通；氣體預(yù)熱裝置19位于氣體混合裝置18之上，它們都被 放置在滲積爐壁2之內(nèi)；氣體輸出和滲積爐壓裝置17通過(guò)管道與氣體混合裝置 18上的出氣口 1相連通。
所述氣體流量控制裝置16，是由氣體閥門(mén)14、質(zhì)子流量計(jì)15、管道組成； 所述氣體混合裝置18，是由帶孔石墨圓板IO、墊片ll、石墨圓筒12、進(jìn)氣
5口 13組成；
所述氣體預(yù)熱裝置19，是由出氣口 1、滲積爐壁2 、加熱石墨套筒3、石墨 蓋板4、石墨墊片5 、預(yù)制體6、石墨導(dǎo)流裝置7、通孔8、石墨圓板9、帶孔石 墨圓板IO組成；
所述氣體輸出和滲積爐壓裝置17，是由氣體冷卻裝置20、電動(dòng)執(zhí)行器21、 真空泵22、尾氣處理裝置23、氣體閥門(mén)24組成。
本發(fā)明一種炭基復(fù)合材料快速定向滲積氣流控制方法，該方法具體步驟如下-步驟一將預(yù)制體6按圖1安放在滲積爐內(nèi)，蓋上石墨蓋板4，抽真空加熱預(yù)制 件，當(dāng)預(yù)制件溫度達(dá)到需要的溫度時(shí)，打開(kāi)氣體控制閥14，將質(zhì)子流量計(jì)15設(shè) 定到指定流量，碳源氣體天然氣、丙烷和稀釋氣體氫氣等多種氣體從進(jìn)氣口 13 進(jìn)入滲積爐內(nèi)。
其中，滲積爐的爐內(nèi)真空度為一0.1MPa;
步驟二上述碳源氣體天然氣、丙烷和稀釋氣體氫氣等多種氣體進(jìn)入導(dǎo)流石墨圓
筒12，圓筒12內(nèi)放置多層帶孔石墨圓板10，帶孔石墨圓板IO之間用墊片11， 墊片11的厚度為20mm，石墨圓板10的厚度為12mm，石墨導(dǎo)流裝置7的高度 為250mm，上述多種氣體在帶孔石墨圓板之間無(wú)序流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多種氣體的有效 混合。
步驟三混勻的上述碳源氣體天然氣、丙烷和稀釋氣體氫氣等多種氣體通過(guò)預(yù)熱 裝置19內(nèi)的導(dǎo)管流動(dòng)到等溫區(qū)后然后又從通孔8流出，氣流定向流動(dòng)通過(guò)預(yù)制 體，在預(yù)制體內(nèi)部沉積。
步驟四關(guān)閉氣體輸出和滲積爐壓裝置17內(nèi)的氣體閥門(mén)24，通過(guò)電動(dòng)執(zhí)行器21 控制爐壓，上述碳源氣體天然氣、丙垸和稀釋氣體氫氣等多種氣體通過(guò)真空泵 22抽出，通過(guò)尾氣處理裝置17進(jìn)行后處理后排出。氣體冷卻裝置20安裝在電 動(dòng)執(zhí)行器21之前，電動(dòng)執(zhí)行器21和氣體閥門(mén)24平行安裝。根據(jù)滲積進(jìn)行的不 同階段，通過(guò)控制質(zhì)子流量計(jì)15和電動(dòng)執(zhí)行器21，調(diào)節(jié)氣流的流量和滲積爐內(nèi) 壓力，獲得最快的滲積速率和最佳的熱解炭結(jié)構(gòu)。滲積結(jié)束后，打開(kāi)氣體輸出和 滲積爐壓裝置17內(nèi)的氣體閥門(mén)24，將滲積爐內(nèi)氣體抽真空降溫。
權(quán)利要求
1、一種炭基復(fù)合材料快速定向滲積氣流控制方法，該方法具體步驟如下步驟一氣體的輸入將預(yù)制體安放在滲積爐內(nèi)，蓋上石墨蓋板，抽真空加熱預(yù)制件，通過(guò)氣體控制閥和質(zhì)子流量計(jì)調(diào)節(jié)碳源氣體天然氣、丙烷和稀釋氣體氫氣這些氣體的流量，以獲得需要的流量和配比；步驟二氣體的混合上述碳源氣體天然氣、丙烷和稀釋氣體氫氣等多種氣體進(jìn)入石墨導(dǎo)流裝置即導(dǎo)流石墨圓筒，通過(guò)氣體混合裝置內(nèi)的多層帶孔石墨圓板和墊片，多種氣體混合均勻，可以避免預(yù)制體不同位置滲積后的熱解炭結(jié)構(gòu)不一樣，造成滲積后的炭基復(fù)合材料各部分性能不一致；步驟三氣體的預(yù)熱上述碳源氣體天然氣、丙烷和稀釋氣體氫氣混合氣體通過(guò)預(yù)熱裝置，很短的時(shí)間內(nèi)在爐內(nèi)均溫區(qū)預(yù)熱，預(yù)熱過(guò)程可以使上述這些氣體到達(dá)預(yù)制件時(shí)，溫度達(dá)到滲積溫度，提高氣體利用率；步驟四氣體的輸出和滲積爐壓控制真空泵將上述碳源氣體天然氣、丙烷和稀釋氣體氫氣混合氣體抽出，通過(guò)電動(dòng)執(zhí)行器調(diào)節(jié)爐壓，以控制滲積爐內(nèi)壓力和氣流在滲積爐內(nèi)停留時(shí)間，達(dá)到最佳滲積效果。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種炭基復(fù)合材料快速定向滲積氣流控制方法， 其特征在于步驟一中所述的滲積爐，其爐內(nèi)真空度為一0.1MPa。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種炭基復(fù)合材料快速定向滲積氣流控制方法， 其特征在于步驟二中所述的石墨圓板，其厚度為10mm 15mm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種炭基復(fù)合材料快速定向滲積氣流控制方法， 其特征在于步驟二中所述的墊片，其厚度為15 25mm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種炭基復(fù)合材料快速定向滲積氣流控制方法， 其特征在于步驟二中所述的導(dǎo)流石墨圓筒的高度為200mm 300mm。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種炭基復(fù)合材料快速定向滲積氣流控制方法， 其特征在于步驟四中所述的氣體冷卻裝置安裝在電動(dòng)執(zhí)行器之前，電動(dòng)執(zhí)行器 和氣體閥門(mén)平行安裝。
全文摘要
一種炭基復(fù)合材料快速定向滲積氣流控制方法，它有四大步驟步驟一氣體的輸入通過(guò)氣體控制閥和質(zhì)子流量計(jì)調(diào)節(jié)碳源氣體天然氣、丙烷、稀釋氣體氫氣等多種氣體流量，以獲得需要的流量和配比；步驟二氣體的混合通過(guò)氣體混合裝置內(nèi)的多層帶孔石墨圓板和墊片，多種氣體混合均勻；步驟三氣體的預(yù)熱氣流通過(guò)預(yù)熱裝置，很短的時(shí)間內(nèi)在爐內(nèi)均溫區(qū)預(yù)熱；步驟四氣體的輸出和滲積爐壓控制真空泵將氣流抽出，通過(guò)電動(dòng)執(zhí)行器調(diào)節(jié)爐壓，來(lái)達(dá)到最佳滲積效果。本發(fā)明能有效的使氣流混合、預(yù)熱和定向擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)熱解炭從預(yù)制體內(nèi)部向外部逐漸沉積，提高了滲積速率和前軀體利用率；它在炭基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域里具有廣泛地實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C04B35/83GK101671188SQ20091009394
公開(kāi)日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月23日
發(fā)明者張?jiān)品? 李進(jìn)松, 章勁草, 羅瑞盈, 胡玉潔 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)