[发明专利]炭/炭复合材料构件化学气相渗积装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料领域的化学气相沉积炉制备装置。

背景技术

炭/炭复合材料是一种炭纤维增强炭基体复合材料，其基于碳原子独特的电子排布和其类石墨结构以及良好的生物相容性等特点，被认为是理想的导电材料、高温复合结构材料、功能材料和生物材料，可广泛应用于航空、航天、生物及多种民用领域。复合材料的多种制备方法均有一个成本偏高问题，如常用的等温CVI工艺，致密时间需几百甚至千余小时，周期长、成本高、设备操作困难，导致制品成本居高不下，这一点严重制约了该材料的进一步应用和发展。化学气相沉积乃是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术。近年来采用的化学气相渗透(CVI)工艺是传统的化学气相沉积(CVD)工艺的延伸，使气相物质(CH4、C3H6等)在加热的炭纤维表面或附近产生化学反应，迁移至复合材料预制体中沉积得到热解炭基体。在CVI工艺增密过程中，热解炭以炭纤维为核心生长，随着沉积的进行，使整个复合材料预制体成为一个高强、高模的材料实体。现有技术化学气相渗透工艺的不足之处在于,致密化速度低，制备周期长，生产效率很低、成本高。复合材料不可避免存在10-15％的残留孔隙，影响复合材料的力学性能和抗氧化性能。用CVI工艺制备炭/炭复合材料工艺条件如温度、压力、原料气C/H比、气相滞留时间以及坯体孔隙的比表面积等因素对坯体微区气相组成都有显著的影响。

复合材料领域的化学气相沉积炉存在诸多问题,其中在炉衬、电热元件的安装和炭源气体在加热炉内漏气等存在许多隐患。在中国专利申请号为200910093946.6，公开号为CN101671188A公开的一种高性能炭基复合材料快速定向渗积气流控制的方法中，所用的设备由气体流量控制装置、气体混合装置、气体预热装置以及气体输出和渗积炉压装置四部分组成。工作原理是将复合材料预制体放置于设备渗积室内，加热至所需温度，按一定比例的流量通入一种或多种反应气体的混合气进入渗积室内，并控制在一定的压力下进行化学气相渗积。上述方法存在的不足之处在于：1、气体预热装置处无自动可调的发热器和监测温度传感器，无法监测并进行控制调节反应气体的预热温度，不充分预热将会导致反应气体裂解不完全，极大地降低反应气体的利用率和最终渗积速率；2、反应气体到预热装置顶部后返回，最后成束由预热装置底部四周出气口流出后进入复合材料预制体渗积室内，反应气体在预热装置内不能被很好的分散，预热效果不佳；3、板材类构件放置在该方法公开的装置内进行渗积时，由于板材类构件与渗积装置间无法形成相对密闭渗积空间，将会大大减少反应气体的利用率，增大系统压力控制的难度，大幅度降低渗积速率。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有方法的不足之处，提供一种反应气体混合更加充分、均匀，既能保证预热效果，达到预定温度，实现反应气体的充分裂解，提高反应气体利用率，可获得最佳渗积效率的炭/炭复合材料构件化学气相渗积装置。以解决现有技术化学气相渗积存在的反应气体利用率较低、渗积效率不高的问题。

本发明的上述目的可以通过以下技术方案予以实现：一种炭/炭复合材料构件化学气相渗积装置，包括从炉体底部连通化学气相沉积炉体6的气体供应装置1、通过供气管道连通气体供应装置1的炉压控制装置2、设置在化学气相沉积炉体炉腔中的混气与预热装置3、深度混气与出气装置4和封闭渗积室5，其特征在于：封闭渗积室5相连深度混气与出气装置4，深度混气与出气装置4下方设有一级配合带孔衬板控制反应气体导流方向的混气与预热装置3，混气与预热装置3内设有监测反应气体温度的测温传感器3-5；气体供应装置1、炉压控制装置2和混气与预热装置3电连接控制器7；反应气体预热温度由预热测温传感器3-5进行监测，并由控制器7进行调节控制，经调节控制的反应气体通过气体供应装置1从抽真空后的化学气相沉积炉体6炉底进气口6-11进入混气与预热装置3进行混合与预热，控制器7根据测温传感器3-5的信息，自动调节发热器3-4上的电功率获得需要的预热温度；预热反应气体进入深度混气与出气装置4被进一步混合和分散，经过混气与预热装置3后的反应气体进入由环形石墨筒5-1、多孔石墨衬板5-2、复合材料预制体5-4、石墨盖板5-6形成的封闭渗积室5，经过多孔石墨衬板5-2渗透入放置在封闭渗积室5内的复合材料预制体5-4，在炉压控制装置2压力控制及控温传感器6-14温度控制的定值下进行化学气相渗积。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。