[发明专利]一种用于热压烧结的碳碳复合材料圈及其制备方法

说明书

本发明公开了一种热压烧结用碳碳复合材料圆圈及其制备方法。先在带1‑5°锥度的钢模具芯外侧缠绕浸渍酚醛树脂的高强碳纤维纱，缠绕2‑10毫米厚之后再缠绕幅宽与模具高度相同，浸渍了酚醛树脂的碳纤维布1‑3毫米厚，如此反复交替缠绕碳纤维布和碳纤维纱。缠绕到预定厚度后对模具进行加温固化。固化好的碳纤维增强酚醛树脂材料圈从钢模具上取下，套在胀紧扩内径模具，然后放入热压烧结炉中，流动氮气下缓慢升温碳化600℃以上，缓慢升温碳化的同时，缓慢加压，最大压力增加到25‑35Mpa并保持到碳化结束；冷却出炉后取下碳碳复合材料圈圈，再次浸渍酚醛树脂，浸渍后进行加热固化，得到热压烧结用碳碳复合材料圆圈。

技术领域

本发明属于碳碳复合材料制备的技术领域，特别涉及一种热压烧结用碳碳复合材料圈及其制备方法。

背景技术

热压烧结是特种陶瓷、陶瓷基复合材料、粉末冶金产品等先进材料烧结工艺中十分重要的一种。热压烧结样品是各种烧结方式中制品性能最好的一种工艺措施，有些特殊用途的材料及器件只能采用热压烧结工艺制造。

热压烧结工艺中，被烧结的粉末预先成型或不经预先成型直接放入石墨等材料制成的模具中，然后将整个系统放入热压烧结炉内部。在升温烧结的同时，由热压烧结炉外的液压活塞推动加压头移动，对被烧结样品产生很大的机械压力，在此压力和高温的共同作用下，被烧结粉末收缩烧结成与模具容腔形状一致的致密块体材料样品。如图4所示。由于有很大的机械压力作用，该工艺能使原来很难甚至不能烧结的材料烧结成致密块体，使烧结体具有最高的性能。

热压模具一般由石墨材料制成。因为热压过程要经历很高的温度，因此要求模具材料在高温下依然要保持较高的强度，尤其是在1000℃以上的高温区。石墨材料是比较理想的热压模具材料。1600℃以上，石墨材料是唯一可用的热压模具材料。

能够制造热压模具的石墨属高强石墨，耐压强度一般在60Mpa以上，抗折强度在35Mpa以上。由于其抗折（抗拉）强度较低，因此热压模具的阴模往往较厚（一般大于40毫米，而且模具尺寸越大其厚度越厚）以此来降低热压过程中阴模裂开的危险性，提高安全系数。但是高强石墨制备困难，价格很高，棒材直径越大越困难，实际使用时，高强石墨棒材直径大于650毫米的已经很难得到了。因此用传统的石墨原材料制备热压模具阴模内径大于500毫米几乎是不可能的，即使勉强制造出来，其使用过程中破裂的几率也是相当大的。

热压模具使用过程中，阴模受到的破坏力主要是热压样品向外膨胀的力，对于烧结过程中有液相出现的时候，这种破坏力更加明显，根据高压容器壁材料内部应力理论计算，如果容器内流体压强为P₀，圆筒状高压容器内壁所受环向拉伸应力为。如果高压容器的壁厚不够，内壁所受环向拉伸应力会达到内部压强的几倍，甚至几十上百倍。由于石墨本身抗力强度不够，因此用石墨做耐压圈，必须做的比较厚。对于大直径的圈圈，壁厚将达到夸张的程度，变得根本不可行！并且即使很厚的石墨圈圈，也依然不能保证强度，生产中容易造成圈圈炸裂的事故。

热压烧结作为一种制备工艺，在某些领域几乎是不可替代的，但热压工艺由于是间歇生产，生产效率较低。加大热压模具尺寸，提高每炉烧结材料的量是提高热压工艺生产效率的有效办法，另外在宇航和国防领域也需要大尺寸热压烧结陶瓷制品，因此实用中大尺寸的热压模具，必须用碳碳复合材料制作模具圈圈。

以往CN200510019593.7中没有扩内径步骤，纤维纱间的酚醛树脂碳化后留下空间，在随后的再浸渍过程中不能完全填充满，并且即使填充满在后续使用过程中依然会碳化形成空间，导致圈圈在后期热压烧结过程中，在内部圈层强大的拉应力作用下，内径会逐渐变大。由于热压过程中，在热压中后期加压才会达到比较大，此时坯料已经被压缩较大幅度，导致只有圈圈中间部分受很大胀力，从而导致圈圈变形不均匀，使按CN200510019593.7制造的碳碳复合材料圈变形早，寿命短。在本发明中采用独特设计的胀紧扩径模具，可以实现碳圈整体均匀扩径。经内径扩大工艺后，内部圈层从外到内致密化逐步增加，从内到外纤维层间空隙急剧减小。使圈圈的整体耐压强度大大提高，抗疲劳性能大增，圈圈的使用寿命大幅提高1-2倍。