[发明专利]一种制备碳陶复合材料的反应熔渗装置

说明书

本发明提供了一种制备碳陶复合材料的反应熔渗装置，由感应加热系统、熔融金属升降系统、样品夹持装置、在线观察视窗、测温系统、循环水冷炉体和真空控制系统组成。循环水冷炉体构成封闭的烧结炉内空间，熔融金属升降系统的可升降样品台、隔热垫块和坩埚位于炉内，炉外的步进电机通过电信号控制可升降样品台，感应加热系统通过加热线圈与坩埚连接；样品夹持装置连接在循环水冷炉体上并可在炉体内移动，以便试样进出坩埚；循环水冷炉体设有在线观察视窗和测温孔，便于测温系统监测温度；真空控制系统与循环水冷炉体连接，以控制烧结炉内的真空度。本发明加热速度快，能在线实时观察反应熔渗过程，实现碳陶复合材料的净成形。

技术领域

本发明涉及一种制备碳陶复合材料的反应熔渗装置。

背景技术

碳陶复合材料集C/C复合材料与陶瓷材料优异的性能于一体，具有低密度、高强度、高抗热震性、低热膨胀系数等一系列优异的性能，在高温热结构和摩擦制动领域具有十分广阔的应用前景。目前，研究较为广泛的碳陶复合材料有C/C-SiC复合材料、C/C-ZrC复合材料、C/C-TiC复合材料等，其中C/C-SiC复合材料的研究和应用最为广泛，是碳陶复合材料的典型代表。

用来制备碳陶复合材料的方法主要包括：先驱体浸渍裂解法(PrecursorInfiltration Pyrolysis,PIP法)、化学气相浸渗法(Chemical Vapor Infiltration,CVI法)和反应熔渗法(Reactive Melt Infiltration,RMI法)。CVI法是在化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,CVD法)基础上发展起来的制备碳陶复合材料的新方法，其可在较低的温度下制备出硅化物、碳化物、硼化物和氮化物等多种陶瓷基体，能实现碳陶复合材料的近净成形，制备的碳陶复合材料具有十分优异的性能。但是，CVI工艺制备周期长，制备的复合材料存在一定孔隙，且其反应通常产生腐蚀性副产物，对设备和环境造成不利影响。

PIP法是以有机聚合物先驱体溶解或熔化后，在真空-气压的作用下浸渍到纤维预制体内部，然后经过干燥或交联固化，再经过高温处理使有机聚合物热解转化制备陶瓷基体。其制备工艺温度较低，可实现复合材料的近净成形，制备的碳陶复合材料性能优异。然而，受先驱体转化率的限制，为了获得密度较高的复合材料，必须经过反复浸渍热解，工艺成本较高，很难获得高纯度和化学计量的陶瓷基体。

RMI是将合金或者金属加热到熔融状态，依靠毛细管力使其渗入多孔碳预制体中，并且与预制体中的碳基体发生反应生成所设计的新基体的制备工艺。与CVI和PIP工艺相比，其效率高，一次熔渗即可制备得到几乎全致密的碳陶复合材料，是一种碳陶复合材料的高效率低成本制备工艺，受到了研究者们的广泛关注。然而在现有的RMI工艺中，通常采用碳管烧结炉加热金属或者合金，加热速率较慢；反应熔渗过程在封闭的烧结炉内进行，不能对工艺过程进行在线实时观察；反应熔渗工艺结束后，残余的金属结晶易和所制备的碳陶复合材料发生粘黏，使碳陶复合材料难于实现净成形。因此，随着工业上对碳陶复合材料需求的增加，亟需研发一种新型的反应熔渗装置来制备碳陶复合材料，以克服现有技术反应熔渗装置无法实时控制熔渗过程、且成本高、耗时长的缺点，为有效推进碳陶复合材料研发和应用提供助力。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种基于感应加热的、制备碳陶复合材料的反应熔渗装置，以克服现有技术中反应熔渗装置加热速度慢，不能实现工艺在线实时观察和难于实现碳陶复合材料净成形的不足。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种制备碳陶复合材料的反应熔渗装置，所述反应熔渗装置由感应加热系统、熔融金属升降系统、样品夹持装置、在线观察视窗、测温系统、循环水冷炉体和真空控制系统组成；

感应加热系统由感应加热器和加热线圈组成，感应加热器通过加热线圈与熔融金属升降系统中的坩埚连接；