[发明专利]一种石英纤维/炭纤维增强炭基复合材料保温桶及其制备方法

说明书

本发明提供了一种石英纤维/炭纤维增强炭基复合材料保温桶及其制备方法，属于单晶硅炉及炭基复合材料制备技术领域。该保温桶由保温桶预制件经固化定型、化学气相沉积增密、高温石墨化制备而成。保温桶预制件的中间层为炭纤维，内外表面层为石英纤维组成，分别采用炭纤维平纹布或斜纹布或无纬布加短炭纤维网胎交替叠层针刺或石英纤维无纬布+短石英纤维网胎交替叠层针刺而成。所得石英纤维/炭纤维增强炭基复合材料保温桶强度高，内外表面由石英纤维+碳化硅界面层+基体炭组成，可以有效降低或避免保温桶内外表面层与硅蒸气反应，能提高保温桶的使用寿命30％以上，适合高效单晶炉保温桶的批量生产。

技术领域

本发明涉及单晶硅炉及炭基复合材料制备技术领域，具体涉及一种石英纤维/炭纤维增强炭基复合材料保温桶及其制备方法。

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，具有密度低、比强度高、耐高温、热膨胀系数小、尺寸稳定性好、结构可设计性强、耐腐蚀等优异性能而广泛应用于军工和民用领域，特别是随着技术进步、制造成本降低，在制造大规格产品和结构可设计性强等方面的优势，近些年炭/炭复合材料在大型单晶硅炉的热场部件上的应用非常广泛，其中，炭/炭复合材料保温桶是单晶炉热场系统的关键部件之一。

在单晶硅拉制时，热场部件处于硅蒸气和惰性气体的混合气氛中，硅蒸气会在热场部件表面沉积并部分与炭/炭复合材料或石墨材料表面反应生成碳化硅或者渗透到表面一定深度的孔隙中与炭反应生成碳化硅，由于碳化硅与炭/炭或石墨的热膨胀系数不匹配，容易脱落和粉化，从而影响热场部件的进一步使用，进而影响热场部件的使用寿命。

因此，为了从根本上解决炭/炭复合材料保温桶的问题，亟需设计一种新材料结构，以提高单晶硅炉用炭/炭复合材料保温桶的使用寿命。

发明内容

针对现有单晶炉用炭/炭复合材料或石墨保温桶容易受硅蒸气硅化影响的问题，本发明提供一种石英纤维/炭纤维增强炭基复合材料保温桶及其制备方法，使得保温桶的内、外表面与硅蒸气基本不反应，中间层和外层具有一定的保温性能，内表面层致密，可以有效阻挡硅蒸气扩散进入保温桶本体和外面的保温毡。

本发明提供了一种石英纤维/炭纤维增强炭基复合材料保温桶预制件，包括：中间层、内表面层和外表面层；由面密度200～600g/m²的石英纤维无纬布或平纹布或斜纹布和面密度为30～120g/m²短石英纤维网胎交替叠层针刺成内表面层，其表观体积密度为0.3～0.6g/cm³；在所述内表面层的外表面上交替叠层面密度为280～600g/m²的炭纤维平纹布或无纬布或斜纹布和面密度为80～120g/m²的短纤维网胎层，针刺成整体，得到表观体积密度为0.2～0.8g/cm³的中间层；在中间层表面交替叠层面密度200～600g/m²的石英纤维无纬布和/或面密度为30～120g/m²短石英纤维网胎，针刺成整体，形成表观体积密度为0.2～0.8g/cm³的外表面层，得到表观体积密度为0.3～0.8g/cm³的保温桶预制件。

优选地，所述内表面层的厚度为3～10mm；所述石英纤维无纬布和所述短石英纤维网胎的重量比为6∶4～9∶1。

优选地，所述中间层的厚度为6～15mm；其中炭纤维平纹布或斜纹布与短纤维网胎层的重量比为9∶1～4∶6。

优选地，所述外表面层的厚度为1～6mm；所述外表面层中短石英纤维网胎的重量百分比为40％-100％。更为优选地，所述外表面层中短石英纤维网胎的重量百分比为40％，即石英纤维无纬布与短纤维网胎层的重量比为6:4。

本发明还提供了一种石英纤维/炭纤维增强炭基复合材料保温桶，由上述的一种石英纤维/炭纤维增强炭基复合材料保温桶预制件经固化定型、化学气相沉积增密、高温石墨化制备而成。