一种碳/碳材料构件的快速沉碳方法

摘要

本发明提供一种碳/碳材料构件的快速沉碳方法，该方法包括如下步骤：(1)将碳纤维预制体放入高温石墨化炉中进行高温预处理；(2)将碳纤维预制体与发热体固定连接，碳纤维预制体和发热体之间用隔离体隔开；(3)将碳纤维预制体与发热体组合件放置于沉积室内，热电偶放于碳纤维预制体的外表面处；先抽真空排除大气，再通入反应气体；(4)发热体加热，经过20～200h气相沉碳，即可一次性制备碳/碳材料构件。本发明制备碳/碳构件方法，热电偶放于构件外表面即可，所以制备过程中构件不需打孔，能保持构件的完整性。本发明方法生产周期短，工艺成本低，可实现快速致密化的目的，适于大尺寸和批量生产。

权利要求

1.一种碳/碳材料构件的快速沉碳方法，所述的碳纤维预制体是通过多层碳布叠层，或叠层后采用针刺或缝合将所有碳布连接起来的织物；其特征在于：该方法包括如下步骤(1)将碳纤维预制体放入高温石墨化炉中进行高温预处理，高温预处理温度为2000～

2500℃，保温时间1～3小时；

(2)将步骤(1)高温预处理后的碳纤维预制体与发热体固定连接，碳纤维预制体和发热体之间用隔离体隔开；所述的发热体是石墨或碳/碳复合材料；所述的隔离体采用牛皮纸或柔性石墨纸；

(3)将步骤(2)得到的碳纤维预制体与发热体组合件放置于沉积室内，热电偶放于碳纤维预制体的外表面处；先抽真空排除大气，再通入反应气体至沉积室内正压0.1～3

5.0kPa；然后继续向沉积室内通入反应气体，控制反应气体的流量为1～10m/h；所述的碳纤维预制体与发热体固定方式是粘接或碳绳捆绑或碳纤维丝束缝合；

(4)发热体加热，当沉积室内温度达到600～1200℃，再按1～10℃/h的速率继续增加温度，经过20～200h气相沉碳，停止加热冷却至室温，停止反应气体供应，即可一次性制3

备体积密度达到1.3～1.8g/cm 的碳/碳材料构件；所述的发热体以直接通电的方式实现加热。

2.根据权利要求1所述的一种碳/碳材料构件的快速沉碳方法，其特征在于：所述的3

碳纤维预制体的形状为中空圆盘、中空圆柱或板状，体积密度范围为0.10～0.65g/cm。

3.根据权利要求1所述的一种碳/碳材料构件的快速沉碳方法，其特征在于：所述的反应气体为甲烷或丙烷或丙烯。

说明书

一种碳/碳材料构件的快速沉碳方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种碳/碳材料快速成型的方法，特别是采用温差法气相沉碳技术快速制备大尺寸碳/碳材料构件的方法。

背景技术

[0002] 碳/碳材料的致密方法，即是用某种碳基体填充其孔隙，使碳纤维增强骨架由低体积密度达到具有高体积密度的工艺过程。化学气相沉积(CVD)碳和液相浸渍碳化是最广泛应用的致密化方法。其中液相浸渍碳化渗碳技术存在对设备要求高、制品质量不稳定的问题，一是不论浸渍设备还是碳化设备，均需较大的容量；二是不论树脂碳还是沥青碳，均存在碳化过程制品易开裂、变形等问题，同时有制品杂质含量较多，使用寿命短的缺陷。除了液相浸渍碳化技术外，碳/碳复合材料致密化过程还采用气相沉碳技术，按照加热方式、压力范围、气体流动形式或其他方式进行划分，主要有均热法CVD、温差法CVD、脉冲CVD、压差法CVD等。等温CVD技术，是气相沉积工艺中最常用、最简单的一种致密化方法。该工艺方法制作的产品形状不受条件限制且可大批量装炉生产，技术相应较成熟，适合大多数制品的生产。但由于瓶颈效应产生，工艺过程中需多次停炉，对工件表面去皮机械加工，调整沉积位置，工艺周期时间很长，如制取较高密度的制品需长达1000～1600小时的沉积时间，造成成本居高不下。而普通的温差法CVD技术要求热电偶插入制品内部，并以0.25～1mm/h的速度进行移动，这就需要在待制品的某个位置打眼以放置热电偶，从而对制品造成了局部伤害，影响了其使用。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种碳/碳材料构件的快速沉碳方法，克服现有致密化技术的不足，解决现有温差法快速CVI工艺中制品需要打孔的问题。

[0004] 实现本发明目的的技术方案：一种碳/碳材料构件的快速沉碳方法，所述的碳纤维预制体是通过多层碳布叠层，或叠层后采用针刺或缝合将所有碳布连接起来的织物；该方法包括如下步骤

[0005] (1)将碳纤维预制体放入高温石墨化炉中进行高温预处理，高温预处理温度为2000～2500℃，保温时间1～3小时；

[0006] (2)将步骤(1)高温预处理后的碳纤维预制体与发热体固定连接，碳纤维预制体和发热体之间用隔离体隔开；

[0007] (3)将步骤(2)得到的碳纤维预制体与发热体组合件放置于沉积室内，热电偶放于碳纤维预制体的外表面处；先抽真空排除大气，再通入反应气体至沉积室内正压0.1～3
5.0kPa；然后继续向沉积室内通入反应气体，控制反应气体的流量为1～10m/h；

[0008] (4)发热体加热，当沉积室内温度达到600～1200℃，再按1～10℃/h的速率继续增加温度，经过20～200h气相沉碳，停止加热冷却至室温，停止反应气体供应，即可一次3
性制备体积密度达到1.3～1.8g/cm 的碳/碳材料构件。

[0009] 如上所述的一种碳/碳材料构件的快速沉碳方法，其所述的碳纤维预制体的形状3
为中空圆盘、中空圆柱或板状，体积密度范围为0.10～0.65g/cm。

[0010] 如上所述的一种碳/碳材料构件的快速沉碳方法，其所述的隔离体采用牛皮纸或柔性石墨纸。

[0011] 如上所述的一种碳/碳材料构件的快速沉碳方法，其所述的发热体是石墨或碳/碳复合材料。

[0012] 如上所述的一种碳/碳材料构件的快速沉碳方法，其所述的发热体以直接通电的方式实现加热。

[0013] 如上所述的一种碳/碳材料构件的快速沉碳方法，其所述的碳纤维预制体与发热体固定方式是粘接或碳绳捆绑或碳纤维丝束缝合。

[0014] 如上所述的一种碳/碳材料构件的快速沉碳方法，其所述的反应气体为甲烷或丙烷或丙烯。

[0015] 本发明的效果在于：

[0016] (1)本发明解决了普通温差法快速CVI过程中热电偶移动需要在制品上打孔的问题。通过本发明制备碳/碳构件方法，热电偶放于构件外表面即可，所以制备过程中构件不需打孔，能保持构件的完整性。

[0017] (2)本发明通过在预制体和发热体之间隔离牛皮纸或柔性石墨纸，避免了预制体和发热体之间的粘连，而且工艺实施非常简便。

[0018] (3)通过本发明制备碳/碳构件方法，生产周期短，工艺成本低，可实现快速致密化的目的，适于大尺寸和批量生产。

[0019] (4)本发明方法可视预制体及最终制品密度要求，设计升温曲线及其它沉碳工艺参数，可精确控制制品最终状态。

[0020] (5)试验证明，该方法制备的碳/碳制品力学性能优异，孔隙率低，适于用作各类防热、承载、耐腐蚀构件。

附图说明

[0021] 图1为碳/碳材料构件的快速沉碳方法使用部件装配示意图；

[0022] 图中：1.上电极；2.发热体；3.隔离层；4.碳纤维预制体；5.热电偶；6.下电极。

具体实施方式

[0023] 下面结合具体实施例对本发明所述的一种碳/碳材料构件的快速沉碳方法作进一步具体描述。

[0024] 实施例1

[0025] (1)采用PAN基12k碳纤维，制备无纬布加网胎针刺结构方式的碳纤维预制体，碳纤维预制体为中空圆柱形，尺寸Φ600mm(外径)×Φ540mm(内径)×800mm(高度)，初始密3
度为0.45g/cm。

[0026] (2)将碳纤维预制体放入高温石墨化炉中进行高温预处理，高温预处理温度3
2000℃，保温时间3h，高温预处理后其体积密度为0.425g/cm。

[0027] (3)如图1所示，将步骤(2)高温预处理完的碳纤维预制体4用6k碳纤维捆绑在发热体2上，碳纤维预制体4和发热体2之间用两层牛皮纸隔离3。发热体用石墨材料加工而成，尺寸为Φ540mm(外径)×Φ500mm(内径)×1000mm(高度)。发热体2上下分别加装上电极1和下电极6，上电极1和下电极6也用石墨材料加工而成，尺寸为Φ650mm×50mm(厚度)。

[0028] (4)将步骤(3)的碳纤维预制体和发热体组合件置于沉积室内，安装热电偶5，如图1所示，热电偶5位于碳纤维预制体1的外表面处。先抽真空排除大气，至真空度达到3
30Pa以下后通入丙烷气体，至正压+4kPa，并保持2m/h的流量不断向沉积室内通入丙烷气体。

[0029] (5)给上、下电极通电升温，发热体加热；当沉积室内温度达到850℃后，按+4℃/h的速率不断增加温度，经过80小时气相沉碳，温度至1170℃时停止加热，冷却至室温，停止供应丙烷气体，取出制得的碳/碳材料构件，其外观平整、无变形翘曲、色泽均匀，无分层3
开裂缺陷。测量构件的体积密度达到1.6g/cm。

[0030] 实施例2

[0031] (1)采用PAN基6k碳纤维，制备无纬布加网胎针刺结构方式的碳纤维预制体，碳纤维预制体为中空圆柱状，尺寸为Φ650mm(外径)×Φ540mm(内径)×400mm(高度)，初始密3
度为0.46g/cm。

[0032] (2)将碳纤维预制体放入高温石墨化炉中进行高温预处理，高温预处理温度3
2200℃，保温1小时，高温预处理后其体积密度为0.432g/cm。

[0033] (3)如图1所示，将步骤(2)高温预处理完的碳纤维预制体用12k碳纤维捆绑在发热体2上，碳纤维预制体4和发热体2之间用0.5mm厚度的柔性石墨纸3隔离。发热体用石墨材料加工而成，尺寸为Φ539mm(外径)×Φ500mm(内径)×600mm(高度)。发热体2上下分别加装上电极1和下电极6。上电极和下电极也用石墨材料加工而成，尺寸为Φ650mm×50mm(厚度)。

[0034] (4)将步骤(3)所得的碳纤维预制体和发热体组合件置于沉积室内，安装热电偶5，如图1所示，热电偶5位于碳纤维预制体1的外表面处。先抽真空排除大气，至真空度达
3
到30Pa以下后通入甲烷气体，至正压+3kPa，然后保持5m/h的流量不断向沉积室内通入甲烷气体。

[0035] (5)给上电极1和下电极6通电升温，发热体加热；当沉积室内温度达到1000℃，再按+1℃/h的速率不断增加温度，经过200h气相沉碳，温度至1200℃停止加热，冷却至室温，停止通入甲烷气体，取出碳/碳材料构件。该制品外观无扭曲变形、分层等缺陷，测量制3
品的体积密度达到1.8g/cm。

[0036] 实施例3

[0037] (1)采用PAN基6k碳纤维，制备平纹碳布叠层结构，碳纤维预制体为平板状，尺寸3
为800mm×800mm×50mm，初始密度为0.65g/cm。

[0038] (2)将碳纤维预制体放入高温石墨化炉中进行高温预处理，高温预处理温度3
2000℃，保温2小时，高温预处理后其体积密度为0.63g/cm。

[0039] (3)将0.5mm厚的柔性石墨纸用酚醛树脂粘接在发热体上，然后再将步骤(2)高温预处理完的碳纤维预制体用酚醛树脂粘接在柔性石墨纸上。发热体用石墨材料加工而成，尺寸为900mm×900mm×20mm。发热体2上下分别加装上电极1和下电极6。上电极和下电极也用石墨材料加工而成，尺寸为Φ650mm×50mm(厚度)。

[0040] (4)将步骤(3)所得的碳纤维预制体和发热体组合件置于沉积室内，热电偶5安装于碳纤维预制体1的外表面处。先抽真空排除大气，至真空度达到10Pa以下后通入甲烷气3
体，至正压0.1kPa，并保持1m/h的流量不断向沉积室内通入甲烷气体。

[0041] (5)给上电极1和下电极6通电升温，发热体加热；当沉积室内起始沉积温度在600℃后，并按10℃/h的速率不断增加，经过50h气相沉碳，取出碳/碳材料制品，该制品外
3
观无扭曲变形、分层等缺陷。测量制品的体积密度达到1.7g/cm。

[0042] 实施例4

[0043] (1)采用PAN基12k碳纤维，制备平纹碳布叠层结构，碳纤维预制体为平板状，尺寸3
为800mm×800mm×20mm，初始密度为0.2g/cm。

[0044] (2)将碳纤维预制体放入高温石墨化炉中进行高温预处理，高温预处理温度3
2500℃，保温1小时，高温预处理后其体积密度为0.18g/cm。

[0045] (3)将步骤(2)高温预处理完的碳纤维预制体用12k碳纤维束缝合在发热体上，碳纤维预制体4和发热体2之间用牛皮纸隔离。发热体用碳/碳复合材料加工而成，尺寸为850mm×850mm×30mm。发热体2上下分别加装上电极1和下电极6。上电极和下电极也用石墨材料加工而成，尺寸为Φ650mm×50mm(厚度)。

[0046] (4)将步骤(3)所得的碳纤维预制体和发热体组合件置于沉积室内，热电偶5安装于碳纤维预制体1的外表面处。先抽真空排除大气，至真空度达到50Pa以下后通入丙烷气3
体，至正压5kPa，并保持10m/h的流量不断向沉积室内通入丙烷气体。

[0047] (5)给上电极1和下电极6通电升温，发热体加热；当沉积室内起始沉积温度在1200℃后，并按1℃/h的速率不断增加，经过40h气相沉碳，取出碳/碳材料制品，该制品外
3
观无扭曲变形、分层等缺陷。测量制品的体积密度达到1.8g/cm。

[0048] 本发明所述的碳/碳材料构件的快速沉碳方法：

[0049] (1)碳纤维预制体是通过多层碳布叠层，或叠层后采用针刺或缝合将所有碳布连接起来的织物。碳布结构可以是薄毡、各种结构碳布、无纬布和其他编织物。可根据需要，控制预制体的尺寸，如制品最终存在圆孔、方孔、槽等需加工切除的部位，可以在预制体上直接切去，也可以使用预先织好的带有固定形状的碳布。预制体的形状可以为中空圆盘、中3
空圆柱、板状，其体积密度范围为0.10～0.65g/cm。

[0050] (2)将碳纤维预制体放入高温石墨化炉中进行高温预处理。高温预处理温度范围为2000～2500℃，保温时间1～3h。

[0051] (3)将高温预处理后的预制体与发热体固定连接。纤维预制体和发热体之间用隔离体，如牛皮纸或柔性石墨纸隔开，以防止预制体和发热体在工艺过程中粘连。发热体以直接通电的方式实现加热。发热体可以是石墨、C/C或高温合金材料；固定方式可以是粘接、碳绳捆绑或碳纤维丝束缝合。

[0052] (4)采用恒定微正压方法。将反应气体通入沉积室内，使之保持恒定的微正压状态。反应气体种类包括甲烷、丙烷、丙烯等碳氢气体，其起始沉积温度和压力范围均不同。恒定压力控制范围是+0.1～5.0kPa。

[0053] (5)测温热电偶位于碳纤维预制体外表面，不移动，温度按照特定的升温曲线不断提高，以造成从构件内部到外部的不断沉积，从而实现快速沉积工艺。起始沉积温度维持在600～1200℃，特定的升温曲线是指：按+1～10℃/h的速率提高沉碳温度。

[0054] (6)按一定流量不断通入反应气体，其流量视沉积室内预制体总质量和所需最终密度进行确定和调整。经过20～200h的气相沉碳，即可一次性制备体积密度达到1.3～3
1.8g/cm 的碳/碳制品。