[发明专利]化学气相沉积炉用预热装置

说明书

技术领域

本发明属于化学气相沉积炉专用工装技术领域，具体是一种化学气相沉积炉用预热装置。

技术背景

碳-碳复合材料是一种新型复合材料，它的特点是密度小、比强度高、比模量大、比热容大，尤其是摩擦系数大、磨损率低，成为制造飞机刹车盘的首选材料。该复合材料的主要制备方法是化学气相沉积工艺。它是将碳纤维预制体放置于化学气相沉积炉的工作区内，加热到温度900℃-1100℃，通入碳氢类气体如甲烷、丙烯等，碳氢气扩散至多孔的碳纤维预制体的内部，在碳纤维的表面发生一系列复杂的裂解、聚合反应，形成大分子聚合物沉积到碳纤维的表面上，再经过脱氢反应转变成碳基体。随着反应气体持续送入和反应持续进行，碳基体在碳纤维表面连续生成和生长，碳基体逐渐填充了碳纤维预制体内的空隙，并将碳纤维预制体内分散的碳纤维粘结成一体，形成结构完整的碳-碳复合材料。

在碳-碳复合材料生产工艺中，一般是数十个碳纤维预制体以逐个叠加的方式堆积成料柱，放置于化学气相沉积炉的工作区内进行化学气相沉积。在碳-碳复合材料的密度检测过程中，发现了一种现象：材料工件的密度与其在料柱中的位置有关，处于料柱底部的材料工件，其密度最低；随着材料工件在料柱中位置的升高，其密度逐渐升高；工件间的密度差异最大超过百分之三十。

分析这种现象的成因，是由于反应气体温度低引起的。反应气体进入化学气相沉积炉的工作区前尚处于室温，进入工作区后被料柱加热，并随反应气体在料柱中位置的升高，持续加热至反应温度。这样在料柱内部形成了一个温度梯度场：料柱底部温度最低，随着料柱高度的增加，温度逐渐升高。众所周知，化学反应的速率随着温度升高呈指数级增加，自然形成了料柱内部化学气相沉积速率的梯度分布和材料工件密度的梯度分布。

《炭素技术》第23卷第三期“c/c刹车盘制备工艺的研究”一文中曾提到的预加热罐结构可以改善这种问题，但这种结构存在如下缺陷：一是导气管未固定，在气流冲击下会发生偏移，导致部分气流未通过导气管流出而未预热，造成气体预热不匀而影响反应效果；二是导气管采用耐热不锈钢材料制作，在工作温度下会与反应气体发生催化反应，改变了部分反应气体的化学成分，并且导气管易于发生开裂和脆断。

发明内容

为克服现有技术中存在的气体预热不匀而影响反应效果和导气管易于发生开裂和脆断的不足，本发明提出了一种化学气相沉积炉用预热装置。

本发明包括炉体、料柱、进气管、承料盘、基座、预热筒和导气管。料柱位于炉体内，置于承料台的上表面。基座和预热筒均位于料柱内，并且基座置于承料台的上表面中心处。预热筒安放在基座底板的上表面，并套装在位于基座上表面中心的预热筒定位套筒上。预热筒的内壁与所述预热筒定位套筒的外表面之间间隙配合。导气管装入预热筒内，并使所述导气管的大直径端位于基座的中心孔内。导气管小直径端的外壁与预热筒内壁之间的距离为30～60mm。当气体流量在80升/分-120升/分时，导气管的外壁与预热筒内壁之间距离的优选范围为55mm-60mm；当气体流量在50升/分-80升/分时，导气管的外壁与预热筒内壁之间距离的优选范围为35mm-40mm。导气管的高度小于预热筒的内腔高度10-20mm。进气管的一端穿过承料台的中心孔，装入导气管的内孔中。进气管的另一端与气源管道连接。基座的底部涂敷有胶结剂。所述的胶结剂使用酚醛树脂和石墨粉混合而成，其份量比为：酚醛树脂∶石墨粉＝1∶1～2。所述的基座、预热筒和导气管均用石墨制成。

基座中心孔的内径与导气管大直径端的外径相同。基座上表面中心的预热筒定位套筒的外径与预热筒的内径相同。在基座底板的上表面对称地分布有2个径向槽。在与所述径向槽对应的预热筒定位套筒的外圆周表面上亦有2个轴向槽。同侧相对应的径向槽和轴向槽连通，形成了预热装置的出气口，出气口的截面积为100～200mm²。

导气管一端大直径端的外径与基座底板中心孔的孔径相同。所述导气管大直径端的内孔孔径大于进气管的外径10mm。

安装时，首先分别在基座的底面和承料盘上表面的中心处涂敷胶结剂，并将基座与承料盘4进行胶结。基座应定置于承料盘4的中心。将导气管的大直径端插入基座的中心孔，并与进气管连通。最后将预热筒套装在导气管和基座的预热筒定位套筒上，并使预热筒置于基座的底板上，这样既保证了预热装置定位适当，又避免了反应气体的泄漏。接下来将工件叠放在承料盘上形成料柱，并将安装好的料柱送入CVD炉内。