[发明专利]一种高性能炭基复合材料快速定向渗积气流控制的方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种高性能炭基复合材料渗积气流控制技术，特别是涉及一种高性能炭基复合材料快速定向渗积气流控制的方法，属于炭基复合材料技术领域。

(二)背景技术

炭基复合材料由于其独特的力学和热物理性能，已制作成飞机刹车盘和火箭发动机喷管等应用于航空航天领域。目前，世界各炭基复合材料生产公司主要采用天然气、丙烯、丙烷等作为碳源气体和氢气、氮气等作为稀释气体制备炭纤维增强炭基复合材料。炭基复合材料渗积制备过程中的气流控制决定着热解炭的结构、渗积速率快慢、热解炭前躯体利用率和渗积过程工艺稳定性等。气体在渗积室的扩散不合理容易造成渗积室内炭黑的生成，炭基复合材料密度不均匀，热解炭结构不一致，炭基复合材料性能差等结果。气体在渗积室内的有效混合、预热和有序扩散等能够加快前躯体在预制体内的渗积，获得均匀结构热解炭，提高前驱体利用率，解决目前炭基复合材料制备周期长、热解炭前躯体利用率低，渗积过程预制体表面容易结壳且需要多次机械加工去壳等问题。

(三)发明内容

1、目的：为了克服现有技术在制备炭基复合材料过程中容易表面结壳，沉积速率慢，产品生产成本高等缺点，本发明提供一种高性能炭基复合材料快速定向渗积气流控制的方法，它能有效的使气体混合、预热和定向扩散，实现热解炭从预制体内部向外部逐渐沉积和在炭纤维表面沉积结构均一热解炭，提高了渗积速率和前躯体利用率，有效地避免了在快速定向渗积过程中炭黑的生成。

2、技术方案：

如图1所示，一种高性能炭基复合材料快速定向渗积气流控制设备，它由气体流量控制装置、气体混合装置、气体预热装置以及气体输出和渗积炉压装置四部分组成。它们之间的连接、位置关系是：气体流量控制装置通过管道与气体混合装置上的进气口相连通；气体预热装置位于气体混合装置之上，它们都被放置在渗积炉壁之内；气体输出和渗积炉压装置通过管道与气体混合装置上的出气口相连通。

所述气体流量控制装置，是由气体阀门、质子流量计、管道组成；

所述气体混合装置，是由带孔石墨圆板、垫片、石墨圆筒、进气口组成；

所述气体预热装置，是由出气口、渗积炉壁、加热石墨套筒、石墨盖板、石墨垫片、预制体、石墨导流装置、通孔、石墨圆板、带孔石墨圆板组成；

所述气体输出和渗积炉压装置，是由气体冷却装置、电动执行器、真空泵、尾气处理装置、气体阀门组成。

本发明一种炭基复合材料快速定向渗积气流控制方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：气体的输入：将预制体按图1安放在渗积炉内，盖上石墨盖板，抽真空加热预制件，通过气体控制阀和质子流量计调节碳源气体天然气、丙烷和稀释气体氢气等多种气体的流量，以获得需要的流量和配比；

其中，渗积炉的炉内真空度为-0.1MPa；

步骤二：气体的混合：上述碳源气体天然气、丙烷和稀释气体氢气等多种气体进入石墨导流装置即导流石墨圆筒，通过气体混合装置内的多层带孔石墨圆板和垫片，多种气体混合均匀，可以避免预制体不同位置渗积后的热解炭结构不一样，造成渗积后的炭基复合材料各部分性能不一致；

其中，石墨圆板的厚度为10mm～15mm；

其中，垫片的厚度为15～25mm；

其中，导流石墨圆筒的高度为200mm～300mm。

步骤三：气体的预热：上述碳源气体天然气、丙烷和稀释气体氢气等多种气体通过预热装置，很短的时间内在炉内均温区预热。预热过程可以使上述多种气体到达预制件时，温度达到渗积温度，提高气体利用率；

步骤四：气体的输出和渗积炉压控制：真空泵将上述碳源气体天然气、丙烷和稀释气体氢气等多种气体抽出，通过电动执行器调节炉压，已控制渗积炉内压力和气流在渗积炉内停留时间，达到最佳渗积效果。

其中，气体冷却装置安装在电动执行器之前，电动执行器和气体阀门平行安装。

3、优点及功效：本发明与现有技术相比具有以下优点：

1)多层带孔石墨板的堆积，工装简单，但很好的实现了多种气体在炉内混合和初步预热同时进行，节约了能耗。特别是对于气体大流量快速渗积时，气体的混合和初步预热非常必要。

2)多种气体在渗积炉等温区的预热，很好的实现了气流预热，保证气流到达预制件表面时，温度达到预定的温度。

3)通过电动调制器和真空泵可以很好的条件炉内压力和气流停留时间，确保获得预定结构组织的热解炭。