[发明专利]液相热解沉积制备炭纤维增强炭基复合材料的装置及工艺

说明书

技术领域

本发明涉及材料加工设备及工艺领域，特别涉及到一种快速液相热解沉积制备炭纤维增强炭基复合材料的装置及工艺。

背景技术

炭/炭复合材料是目前新材料领域重点研究和开发的一种新型超高温热结构材料，具有低密度、高强度、高比模、低烧蚀率、高抗热震性、低线膨胀系数(仅为金属的1/5～1/10)、热导率高、耐烧蚀、耐磨性能和抗疲劳性能良好等优点，特别是抗疲劳性能复合材料在1000℃～2300℃时强度随温度升高而升高，是理想的航空航天及其它工业领域的高温材料。美国上世纪九十年代就开展了低成本快速制备的研究工作，美国国家航空航天局(NASA)已成功的将低成本快速制备炭/炭材料的其应用到了飞机刹车盘和喉衬等。

炭/炭复合材料的首次出现是于1958年在Chance Vought航空公司实验室偶然得到的，炭/炭复合材料技术在最初十年间发展的很慢，到六十年代末期，才开始发展成为工程材料中新的一员，自七十年代，在美国和欧洲得到很大发展，推出了炭纤维多向编织技术，高压液相浸渍工艺及化学气相浸渍法(CVI)，有效地得到高密度的炭/炭复合材料，为其制造、批量生产和应用开辟了广阔的前景。八十年代以来，炭/炭复合材料的研究极为活跃，前苏联、日本等国也都进去这一先进领域，在提高性能、快速致密化工艺研究及扩大应用等方面取得很大进展。

化学气相沉积技术(Chemical vapor deposition，简称CVD)是目前国内外制备炭/炭复合材料应用时间长、技术成熟度高的主要工艺，该工艺是在具有贯通间隙的坯体或纤维编织体骨架中沉积碳基体，其工艺为纤维编织体骨架或坯体置于化学气相沉积炉内，通入沉积反应源气，在沉积温度下热解或发生反应，生成所需的炭/炭复合材料，沉积在坯体的孔隙中，并逐步填满。CVD工艺的优点是:复合材料在制备过程中纤维受到的机械损伤和化学损伤小；可以制备纤维多向排布、编织和复杂形状的制品；可用于制备组成可调的梯度功能复合材料，该工艺技术成熟度高，目前被大量使用。目前常见的有常压CVD、低压CVD、等离子CVD、热CVD、间隙CVD和激光CVD等方法。但CVD技术也存在不足:坯体中的孔隙在CVD过程中容易堵塞或形成闭孔，即使提高压强，反应源气体也无法进入，因而难以获得高致密性的复合材料，往往需要进行多次沉积、表面加工、热处理等工序，其有效沉积时间长达1000小时以上，生产周期3～4个月，生产效率和材料利用率低，生产成本高，目前主要用于生产航空航天耐热结构件，难以满足民用产品成本低、需求量大的实际需求。

CVI工艺与CVD相比具有效率高、速度快、密度高、强度高、韧性高、临界应变值高，可以制备大尺寸部件等诸多优点。常规的CVI工艺是等温CVI，它具有能在同一反应炉中同时沉积多个或不同形状的预制件的优点，但只能沉积简单的薄壁件，对于粗厚型件内部往往出现孔洞，存在致密性差，材料沉积不均匀的问题，同时其工艺周期特别长，材料制备成本较高。尽管为了降低成本，缩短工艺周期和优化工艺，陆续出现了脉冲法、热梯度法、压差温度梯度法等。此外还有激光CVI(LCVI)法、强制流动热梯度CVI法(FCVI)、微波CVI法(MWCVI)等，但这些工艺由于设备复杂、工艺要求高、生产成本高等原因而没有产业化生产。

化学液气相法(CLVD)能大幅度缩短制备周期，但是受其设备和加热方式的局限性，存在预制体受热不均，导致表面或者芯部致密程度不均匀，而且放大生产困难，尚停留在实验室阶段，无法在实际中应用。

炭/炭复合材料制备工艺和制备装置的资料表明，对于该类复合材料的制备所采用的热源均为单一热源，设备多由反应容器与加热装置、冷凝排气系统、进料系统、测温系统和保护系统组成，制备过程中用氮气进行保护，采用单一直流加热或感应加热方式，加热效率低，难以形成理想的可控的温度场和温度梯度，多数工艺仅在实验室范围内进行了实验，没有实现工业化规模生产和应用，而技术成熟度和应用较多的CVD工艺生产周期长、原料利用率低、难以获得高密度炭/炭复合材料，生产能力有限且制品价格高昂，难以在民用领域推广性能优良的制品，不能满足国民经济快速发展和世界范围内对节能减排的需求。

发明内容

本发明的目的是克服原有方法制备炭/炭复合材料生产周期长、生产成本高、原料利用率低、耗能大等不足，提供一种快速液相热解沉积制备炭/炭复合材料的装置及工艺，满足国民经济尤其是民用领域发展对高性能低成本炭/炭复合材的需求。本发明的基本构思是，设计一种快速液相热解沉积制备炭/炭复合材料的装置，并提供相应的制备工艺。