[发明专利]一种碳/碳材料构件的快速沉碳方法

说明书

技术领域

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

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

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。

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

(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；

(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0.1～5.0kPa；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1～10m³/h；

(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，即可一次性制备体积密度达到1.3～1.8g/cm³的碳/碳材料 构件。

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 的形状为中空圆盘、中空圆柱或板状，体积密度范围为0.10～0.65g/cm³。

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。

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。

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。

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。

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。

本发明的效果在于：

(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。

(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。

(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。

(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。