一种碳/碳复合材料薄壁圆筒的制备方法

摘要

本发明提供了一种碳/碳复合材料薄壁圆筒的制备方法，用以解决现有技术中碳/碳复合圆筒制备工艺周期长、效率低、产品强度低的问题。所述碳/碳复合材料薄壁圆筒的制备方法，在真空沉积室中通电加热碳纤维圆筒预制体，通过对圆筒的内加热，使圆筒预制体在不同径向壁厚的圆筒壁上受热不均匀，具有温度梯度；在真空沉积室内引入沉积碳源混合气体，在圆筒壁的碳纤维内基于温度梯度进行均匀渗碳，得到密度为1.5～1.8g/cm3的碳/碳复合材料薄壁圆筒。本发明使得圆筒壁上不同厚度处具有均匀的渗碳量，提高了机械强度和寿命，同时不需要外界热源提供高温，降低了能耗，缩短了生产周期、提高了生产效率，可实现批量生产。

说明书

技术领域

本发明属于碳基复合材料结构件制备领域，具体涉及一种碳/碳复合材料薄壁圆筒的制备方法。

背景技术

碳/碳复合材料是碳纤维增强的碳基体复合材料，密度低(<2.0g/cm

现有技术中，通常采用预制体+高温真空炉加热沉积的方式制备碳/碳复合材料薄壁圆筒。例如，专利号为201120219675.7的中国专利，公开了一种碳/碳复合材料导料筒，其制备过程在加工成型、组装筒体、真空炉中高温纯化的基础上，再进行化学气相沉积增密，在筒体表面形成致密的热解碳涂层，制得碳/碳复合材料导流筒。但是，上述方法沉积过程在具有均匀温度的高温真空炉内进行，所沉积的碳涂层在导流筒壁厚的径向方向上并不均匀，甚至只能涂覆在表面，无法进一步提高筒体的强度。同时，真空高温炉耗能大，生产成本高昂。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种碳/碳复合材料薄壁圆筒的制备方法，通过内加热在筒体径向上形成温度梯度，使得整个筒体进行渗碳增强，不仅降低圆筒的生产成本，且提高了圆筒机械强度和寿命。

为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

本发明实施例提供了一种碳/碳复合材料薄壁圆筒的制备方法，所述方法包括：在真空沉积室中通电加热碳纤维圆筒预制体，使圆筒预制体在径向圆筒壁上具有温度梯度；在真空沉积室内引入沉积碳源混合气体，在圆筒壁的碳纤维内基于温度梯度进行均匀渗碳，得到密度为1.5～1.8g/cm

作为本发明的一个优选实施例，所述通电加热碳纤维圆筒预制体，进一步包括：

首先制备碳纤维圆筒预制体，同时制备与碳纤维预制体的两个端部配合的石墨电极接头，再将石墨电极接头连接在所述预制体的两个端部，对石墨电极接头通电后，开始对圆筒预制体加热。

作为本发明的一个优选实施例，石墨电极接头至少包括第一石墨电极接头和第二石墨电极接头；其中，第一石墨电极接头的筒体安装端与碳纤维预制体的一端连接，第一石墨电极接头的电源端与电源正极螺接；第二石墨电极接头的筒体安装端与碳纤维预制体的另一端连接，第二石墨电极接头的电源端与电源负极螺接。

作为本发明的一个优选实施例，当制备N且N≥2个薄壁圆筒时，所述石墨电极接头还包括N-1个第三石墨电极接头，所述第三石墨电极接头的一端与碳纤维圆筒预制体的顶端相连接，另一端与另一个碳纤维圆筒预制体的底端相连接；N个圆筒预制体通过N-1个第三石墨电极接头形成串联电路，通过串联电路对所述碳纤维圆筒预制体进行加热。

作为本发明的一个优选实施例，当制备N且N≥2个薄壁圆筒时，所述石墨电极接头包括N个第一石墨电极接头和N个第二石墨电极接头，N个圆筒预制体通过N个第一石墨电极接头和N个第二石墨电极接头形成并联电路，通过并联电路对所述碳纤维圆筒预制体进行加热。

作为本发明的一个优选实施例，所述石墨电极接头的材质为电阻率为8～15μΩ·m的电极石墨。

作为本发明的一个优选实施例，所述碳纤维包括沥青基碳纤维、聚丙烯晴基碳纤维；所述碳纤维圆筒预制体的体积密度为0.20～0.60g/cm

作为本发明的一个优选实施例，所述沉积碳源混合气体为碳氢气体与惰性气体的混合气体；其中，碳氢气体为所述碳沉积提供碳源；所述惰性气体通过在混合气体中的占比，调节温度梯度，从而调节碳沉积的温度。

作为本发明的一个优选实施例，所述温度梯度范围为800～1200℃，沉积时间为20～120h。

作为本发明的一个优选实施例，所述碳/碳复合材料薄壁圆筒的制备方法，还包括：渗碳完成后，对碳/碳复合材料薄壁圆筒毛坯进行高温处理和机械加工，获得薄壁圆筒成品。

本发明具有如下有益效果：

本发明实施例的碳/碳复合材料薄壁圆筒的制备方法，基于化学气相渗透，在真空沉积室中通电加热碳纤维圆筒预制体，通过对圆筒的内加热，使圆筒预制体在不同径向壁厚的圆筒壁上受热不均匀，具有温度梯度；在真空沉积室内引入沉积碳源混合气体，在圆筒壁的碳纤维内基于温度梯度进行均匀渗碳，得到密度为1.5～1.8g/cm

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施方式中通电加热碳纤维圆筒预制体进行碳沉积的原理示意图。

附图标记说明：

10-碳纤维圆筒预制体；20-第一石墨电极接头；21-第一石墨电极接头的筒体安装端；22-第一石墨电极接头的电源端；30-第二石墨电极接头；31-第二石墨电极接头的筒体安装端；32-第二石墨电极接头的电源端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施方式提供了一种碳/碳复合材料薄壁圆筒的制备方法，基于化学气相渗透，通过对圆筒的内加热，实现圆筒在径向上的受热不均匀，从而使得圆筒壁上不同厚度处具有均匀的渗碳量，提高薄壁圆筒的机械强度，同时不需要外界热源提供高温，节约生产能耗，从而能够快速制备碳/碳复合材料薄壁圆筒，制备工艺周期长短、效率高、过程简单、便于控制，有利于批量生产。

本实施方式所提供的薄壁圆筒的制备方法，包括：在真空沉积室中通电加热碳纤维圆筒预制体，使圆筒预制体在径向圆筒壁上具有温度梯度；在真空沉积室内引入沉积碳源混合气体，在圆筒壁的碳纤维内基于温度梯度进行均匀渗碳，得到密度为1.5～1.8g/cm

图1示出了本实施方式通电加热碳纤维圆筒预制体进行碳沉积的原理示意图。如图1所示，首先制备碳纤维圆筒预制体10，同时制备与碳纤维预制体的两个端部配合的石墨电极接头20、30，再将石墨电极接头连接在所述预制体的两个端部，对石墨电极接头通电后，开始对圆筒预制体加热。所述石墨电极接头螺接于电源上。优选地，所述电源为380V、50Hz三相交流电。连接完成后，开启电源，碳纤维圆筒预制体、石墨电极接头与电源形成通路，碳纤维圆筒预制体本身由于具有预定阻值，通电后开始发热，实现自加热，且由于壁厚的存在，从筒壁中心位置沿径向在圆筒内和圆筒外形成温度梯度，通过通电时间和参数控制，控制温度梯度的温度范围。

优选地，本步骤中，所述碳纤维包括沥青基碳纤维、聚丙烯晴基碳纤维；所述碳纤维圆筒预制体的体积密度为0.20～0.60g/cm

优选地，当同时制备多个碳纤维圆筒预制体时，可将所述多个圆筒预制体进行串联或并联连接，在一个电路中实现同时加热。

如上所述，在真空沉积室内引入沉积碳源混合气体，所述混合气体为碳氢气体与惰性气体的混合气体。其中，碳氢气体为所述碳沉积提供碳源，优选地，所述碳氢气体为甲烷、丙烷、丙烯等小分子、易裂解的有机气体；所述惰性气体用于通过在混合气体中的占比，来调节碳沉积的温度，起到对温度梯度的调节作用；优选地，所述惰性气体为氮气、氩气等。本实施方式中，所述温度梯度范围为800～1200℃，沉积时间为20～120h。

通常情况下，当采用真空烧结炉进行碳/碳复合材料的碳沉积时，通过炉体为碳沉积过程提供高温，整个烧结炉腔内包括内部的圆筒都处于相同的均匀温度下，在不同壁厚上所沉积的碳是不均匀的，等温沉积工艺下需要进行多个周期才能实现预期的密度要求，沉积时间为300～380小时。由上述方案可以看出，本实施方式的沉积过程，缩短了工艺周期，节约了能耗成本。

如上所述，所述碳/碳复合材料薄壁圆筒的制备方法，还包括：渗碳完成后，对碳/碳复合材料薄壁圆筒毛坯进行高温处理和机械加工，获得薄壁圆筒成品。

优选地，所述高温处理，温度为1600～2500℃，处理时间4～10h，升温速率≤100℃/h。

下面结合附图，通过具体的实施例对本发明作进一步详细的说明。本实施例仅用于对实施方式的补充说明，并不构成对本发明的限制。

本实施例以制备单晶硅用碳/碳复合材料薄壁坩埚为例，这里的坩埚还可以为导流筒、隔热筒、保温桶等。

本实施例所提供的碳/碳复合材料薄壁坩埚的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1，采用12k碳纤维平纹布制备碳纤维碳布叠层缠绕结构的圆筒预制体，所述预制体的体积密度为0.60g/cm

步骤S2，按照碳纤维圆筒预制体两个端部尺寸，制备至少两个圆环形石墨电极接头，分别为第一石墨电极接头和第二石墨电极接头。如图1所示，其中，第一石墨电极接头20的筒体安装端21与碳纤维预制体10的一端连接，接头电源端22与电源正极螺接；第二石墨电极接头30筒体安装端31与碳纤维预制体的另一端连接，接头电源端32与电源负极螺接。所述石墨电极接头的电阻率为8μΩ·m。

本步骤中，当制备N(N≥2)个薄壁圆筒时，还需制备N-1个第三石墨电极接头，所述第三石墨电极接头的一端与碳纤维圆筒预制体的顶端相连接，另一端与碳纤维圆筒预制体的底端相连接。N个圆筒预制体形成串联电路，通过串联电路对所述碳纤维圆筒预制体进行加热。

这里的串联仅仅是举例说明，在实际操作中也可以采用并联方式。当采用并联时，则制备与薄壁圆筒个数相同的第一石墨电极接头和第二石墨电极接头。

步骤S3，将石墨电极接头与碳纤维预制体连接，组成一个加热单元，如果有若干预制体，可将若干加热单元用石墨电极接头串联或并联连接。

步骤S4，将所述加热单元置于真空沉积室中，抽真空。所述真空度即炉压＜10Pa。

步骤S5，对所述加热单元通电加热，待加热温度达到沉积温度后，通入丙烷和氮气的混合气体。这里混合气体，将各气体按预定流量通入混气罐，充分混合后再由混气罐按预定流量通入炉体。如，向混气罐中按20L/min通入丙烷和30L/min通入氮气，两种气体混合预定时间均匀化后，由混气罐通入炉体。

步骤S6，达到预定沉积时间后，降温、取出加热单元，去除石墨电极接头，得到沉积后的碳/碳复合材料圆筒毛坯。

步骤S7,将碳/碳复合材料圆筒毛坯进行高温处理。高温处理温度为2500℃，处理时间4h，升温速率为100℃/h。

步骤S8，根据要求对高温处理后的碳/碳复合材料圆筒毛坯进行机械加工，获得预设壁厚、预设碳/碳比例参数的薄壁圆筒。

由以上技术方案可以看出，本发明实施方式所提供的碳/碳复合材料薄壁圆筒制备方法，通过内加热方式进行碳沉积，沉积时间短，缩短了工艺周期；不需真空高温炉提供高温环境，降低了能耗，节约了资源；制备过程简单，参数便于控制，可实现批量生产；同时，所制备的薄壁圆筒，在径向筒壁上渗碳均匀，提高了薄壁圆筒的机械强度和使用寿命。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。