[发明专利]一种制备硼掺杂各向同性热解炭材料的设备

说明书

技术领域

本发明涉及热解炭材料领域，具体为一种制备硼掺杂各向同性热解炭材料的设备。

背景技术

各向同性热解炭(Isotropic pyrolytic carbon)材料是利用化学气相沉积方法(chemical vapor deposition——CVD)制备的一种高性能炭质材料，由于其结构致密、晶粒尺寸小，因此除具备一般炭质材料的耐高温、润滑、耐磨损等共性优点外，还具有强度高、不透气、可加工性能优良、各向同性等特点，已成功应用在航空、航天、船舶和核能等重要领域。但随着各领域对高性能机械密封材料性能要求的越来越苛刻，其抗氧化性能、耐磨性能、高温耐烧蚀性能和抗热、机械冲击性能等亟需进一步提高，但是各向同性热解炭作为一种纯碳材料，其性能已经达到传统炭材料的极限，其性能的提升空间已十分有限。

发明内容

为了提高各向同性热解炭材料的性能，本发明的目的在于提供一种制备硼掺杂各向同性热解炭材料的设备，解决现有技术中存在的纯各向同性热解炭材料在抗氧化性能、耐磨性能、高温耐烧蚀性能和抗热、机械冲击性能等方面不足的问题，获得耐磨损、耐氧化、高性能的先进炭质密封材料。

本发明的技术方案是：

一种制备硼掺杂各向同性热解炭材料的设备，具有沉积装置以及与沉积装置连通的气体流量控制系统，所述沉积装置为锥形石墨床沉积装置，反应器下端开口处设有气体分配板，气体分配板中心设有倒锥形开口，气体分配板上端为筛网结构。

所述气体流量控制系统包括碳源、硼源、载气的流量控制管路，在气体流量控制系统与沉积装置之间设有混气罐，碳源、硼源、载气的流量控制管路汇集于气体流量控制系统的输出管路，气体流量控制系统的输出管路连至混气罐的入口，混气罐出口连至沉积装置。

所述反应器的内径为80-300毫米。

所述气体分配板锥角α为90-160度。

所述筛网结构的网孔直径为2-10毫米，网孔间距2-20毫米。

所述的制备硼掺杂各向同性热解炭材料的设备，还包括硼源装置，硼源装置包括硼源储罐和恒温装置，硼源储罐置于恒温装置中。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明设计了沉积装置和气体流量控制系统，这一设计实现了硼在各向同性热解炭材料内的有效添加和均匀分布，为制备具有优异性能的硼掺杂各向同性热解炭材料奠定了基础。

附图说明

图1为制备硼掺杂各向同性热解炭材料的设备示意图。

图2为锥形石墨床沉积装置和气体控制系统示意图。

图3为硼掺杂各向同性热解炭的正交偏光金相显微照片。

图4为硼掺杂各向同性热解炭材料的X射线衍射谱。

具体实施方式

本发明利用化学气相共沉积工艺制备硼掺杂各向同性热解炭材料。如图1所示，本发明用于制备硼掺杂各向同性热解炭材料的设备，主要包括电源、水冷系统、温控系统、沉积装置、气体流量控制系统和尾气处理装置六部分。沉积装置和温控装置连有水冷系统，温控系统、沉积装置分别通过电源线连接电源，硼源装置包括硼源储罐和恒温装置，硼源储罐置于恒温装置中。装有硼源、反应气体和稀释气体等的储罐分别通过管路连至气体流量控制系统，气体流量控制系统通过管路连接沉积装置，硼源、反应气体和稀释气体等经气体流量控制系统混合后，进入沉积装置，沉积装置通过管路与尾气处理装置连通。沉积装置内设沉积反应器，石墨基体被固定在沉积反应器的高温区。

如图2所示，本发明用于制备硼掺杂各向同性热解炭材料的设备，其核心是锥形石墨床沉积装置和气体流量控制系统，具体如下：

所述锥形石墨床沉积装置主要包括反应器1、沉积基体2、筛网结构3、气体分配板4，反应器1内径为80-300毫米，反应器1下端开口处设有气体分配板4，气体分配板4中心设有倒锥形开口，气体分配板4锥角α为90-160度。沉积基体2悬挂在气体分配板4上方，采用各向同性细颗粒石墨，细颗粒石墨粒径小于75微米。硼源储罐放置在恒温装置中，通过加热使得硼源保持稳定的蒸汽压。气体分配板4上端为筛网结构3，筛网结构3的网孔直径为2-10毫米、网孔间距2-20毫米，使气体更加均匀的进入反应器1。

所述气体流量控制系统包括碳源(碳氢气体)、硼源、载气的流量控制管路，在气体流量控制系统与沉积装置之间设有混气罐，碳源(碳氢气体)、硼源、载气的流量控制管路汇集于气体流量控制系统的输出管路，气体流量控制系统的输出管路连至混气罐的入口，混气罐出口连至沉积装置。