一种高性能炭基复合材料快速定向渗积气流控制的方法.pdf

一种炭基复合材料快速定向渗积气流控制方法，它有四大步骤：步骤一：气体的输入：通过气体控制阀和质子流量计调节碳源气体天然气、丙烷、稀释气体氢气等多种气体流量，以获得需要的流量和配比；步骤二：气体的混合：通过气体混合装置内的多层带孔石墨圆板和垫片，多种气体混合均匀；步骤三：气体的预热：气流通过预热装置，很短的时间内在炉内均温区预热；步骤四：气体的输出和渗积炉压控制：真空泵将气流抽出，通过电动执行器调节炉压，来达到最佳渗积效果。本发明能有效的使气流混合、预热和定向扩散，实现热解炭从预制体内部向外部

1、  一种炭基复合材料快速定向渗积气流控制方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：气体的输入：将预制体安放在渗积炉内，盖上石墨盖板，抽真空加热预制件，通过气体控制阀和质子流量计调节碳源气体天然气、丙烷和稀释气体氢气这些气体的流量，以获得需要的流量和配比；
步骤二：气体的混合：上述碳源气体天然气、丙烷和稀释气体氢气等多种气体进入石墨导流装置即导流石墨圆筒，通过气体混合装置内的多层带孔石墨圆板和垫片，多种气体混合均匀，可以避免预制体不同位置渗积后的热解炭结构不一样，造成渗积后的炭基复合材料各部分性能不一致；
步骤三：气体的预热：上述碳源气体天然气、丙烷和稀释气体氢气混合气体通过预热装置，很短的时间内在炉内均温区预热，预热过程可以使上述这些气体到达预制件时，温度达到渗积温度，提高气体利用率；
步骤四：气体的输出和渗积炉压控制：真空泵将上述碳源气体天然气、丙烷和稀释气体氢气混合气体抽出，通过电动执行器调节炉压，以控制渗积炉内压力和气流在渗积炉内停留时间，达到最佳渗积效果。

2、  根据权利要求1所述的一种炭基复合材料快速定向渗积气流控制方法，其特征在于：步骤一中所述的渗积炉，其炉内真空度为-0.1MPa。

3、  根据权利要求1所述的一种炭基复合材料快速定向渗积气流控制方法，其特征在于：步骤二中所述的石墨圆板，其厚度为10mm～15mm。

4、  根据权利要求1所述的一种炭基复合材料快速定向渗积气流控制方法，其特征在于：步骤二中所述的垫片，其厚度为15～25mm。

5、  根据权利要求1所述的一种炭基复合材料快速定向渗积气流控制方法，其特征在于：步骤二中所述的导流石墨圆筒的高度为200mm～300mm。

6、  根据权利要求1所述的一种炭基复合材料快速定向渗积气流控制方法，其特征在于：步骤四中所述的气体冷却装置安装在电动执行器之前，电动执行器和气体阀门平行安装。

一种高性能炭基复合材料快速定向渗积气流控制的方法
(一)技术领域
本发明涉及一种高性能炭基复合材料渗积气流控制技术，特别是涉及一种高性能炭基复合材料快速定向渗积气流控制的方法，属于炭基复合材料技术领域。
(二)背景技术
炭基复合材料由于其独特的力学和热物理性能，已制作成飞机刹车盘和火箭发动机喷管等应用于航空航天领域。目前，世界各炭基复合材料生产公司主要采用天然气、丙烯、丙烷等作为碳源气体和氢气、氮气等作为稀释气体制备炭纤维增强炭基复合材料。炭基复合材料渗积制备过程中的气流控制决定着热解炭的结构、渗积速率快慢、热解炭前躯体利用率和渗积过程工艺稳定性等。气体在渗积室的扩散不合理容易造成渗积室内炭黑的生成，炭基复合材料密度不均匀，热解炭结构不一致，炭基复合材料性能差等结果。气体在渗积室内的有效混合、预热和有序扩散等能够加快前躯体在预制体内的渗积，获得均匀结构热解炭，提高前驱体利用率，解决目前炭基复合材料制备周期长、热解炭前躯体利用率低，渗积过程预制体表面容易结壳且需要多次机械加工去壳等问题。
(三)发明内容
1、目的：为了克服现有技术在制备炭基复合材料过程中容易表面结壳，沉积速率慢，产品生产成本高等缺点，本发明提供一种高性能炭基复合材料快速定向渗积气流控制的方法，它能有效的使气体混合、预热和定向扩散，实现热解炭从预制体内部向外部逐渐沉积和在炭纤维表面沉积结构均一热解炭，提高了渗积速率和前躯体利用率，有效地避免了在快速定向渗积过程中炭黑的生成。
2、技术方案：
如图1所示，一种高性能炭基复合材料快速定向渗积气流控制设备，它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。它们之间的连接、位置关系是：气体流量控制装置通过管道与气体混合装置上的进气口相连通；气体预热装置位于气体混合装置之上，它们都被放置在渗积炉壁之内；气体输出和渗积炉压装置通过管道与气体混合装置上的出气口相连通。
所述气体流量控制装置，是由气体阀门、质子流量计、管道组成；
所述气体混合装置，是由带孔石墨圆板、垫片、石墨圆筒、进气口组成；
所述气体预热装置，是由出气口、渗积炉壁、加热石墨套筒、石墨盖板、石墨垫片、预制体、石墨导流装置、通孔、石墨圆板、带孔石墨圆板组成；
所述气体输出和渗积炉压装置，是由气体冷却装置、电动执行器、真空泵、尾气处理装置、气体阀门组成。
本发明一种炭基复合材料快速定向渗积气流控制方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：气体的输入：将预制体按图1安放在渗积炉内，盖上石墨盖板，抽真空加热预制件，通过气体控制阀和质子流量计调节碳源气体天然气、丙烷和稀释气体氢气等多种气体的流量，以获得需要的流量和配比；
其中，渗积炉的炉内真空度为-0.1MPa；
步骤二：气体的混合：上述碳源气体天然气、丙烷和稀释气体氢气等多种气体进入石墨导流装置即导流石墨圆筒，通过气体混合装置内的多层带孔石墨圆板和垫片，多种气体混合均匀，可以避免预制体不同位置渗积后的热解炭结构不一样，造成渗积后的炭基复合材料各部分性能不一致；
其中，石墨圆板的厚度为10mm～15mm；
其中，垫片的厚度为15～25mm；
其中，导流石墨圆筒的高度为200mm～300mm。
步骤三：气体的预热：上述碳源气体天然气、丙烷和稀释气体氢气等多种气体通过预热装置，很短的时间内在炉内均温区预热。预热过程可以使上述多种气体到达预制件时，温度达到渗积温度，提高气体利用率；
步骤四：气体的输出和渗积炉压控制：真空泵将上述碳源气体天然气、丙烷和稀释气体氢气等多种气体抽出，通过电动执行器调节炉压，已控制渗积炉内压力和气流在渗积炉内停留时间，达到最佳渗积效果。
其中，气体冷却装置安装在电动执行器之前，电动执行器和气体阀门平行安装。
3、优点及功效：本发明与现有技术相比具有以下优点：
1)多层带孔石墨板的堆积，工装简单，但很好的实现了多种气体在炉内混合和初步预热同时进行，节约了能耗。特别是对于气体大流量快速渗积时，气体的混合和初步预热非常必要。
2)多种气体在渗积炉等温区的预热，很好的实现了气流预热，保证气流到达预制件表面时，温度达到预定的温度。
3)通过电动调制器和真空泵可以很好的条件炉内压力和气流停留时间，确保获得预定结构组织的热解炭。
4)本发明技术可以推广到SiC基体的渗积，适合复杂结构件的快速定向渗积，气流流动通畅，不会在渗积炉内形成“死区”，有效抑制炭黑等杂质的生成。
(四)附图说明
图1本发明实施设备的结构示意图
图中符号说明如下：
1-出气口；               2-渗积炉壁；       3-加热石墨套筒；
4-石墨盖板；             5-石墨垫片；       6-预制体；
7-石墨导流装置；         8-通孔；           9-石墨圆板；
10-带孔石墨圆板；        11-垫片；          12-石墨圆筒；
13-进气口；              14-气体控制阀； 15-质子流量计；
16-气体流量控制装置；    17-气体输出和渗积炉压装置；    18-气体混合装置；
19-气体预热装置；        20-气体冷却装置；   21-电动执行器；   22-真空泵；
23-尾气处理装置；        24-气体阀门。
(五)具体实施方式：
如图1所示，本发明一种炭基复合材料快速定向渗积气流控制方法，在快速定向渗积气流控制设备中实施，该控制设备由气体流量控制装置16，气体混合装置18，气体预热装置19以及气体输出和渗积炉压装置17四部分组成。它们之间的连接、位置关系是：气体流量控制装置16通过管道与气体混合装置18上的进气口13相连通；气体预热装置19位于气体混合装置18之上，它们都被放置在渗积炉壁2之内；气体输出和渗积炉压装置17通过管道与气体混合装置18上的出气口1相连通。
所述气体流量控制装置16，是由气体阀门14、质子流量计15、管道组成；
所述气体混合装置18，是由带孔石墨圆板10、垫片11、石墨圆筒12、进气口13组成；
所述气体预热装置19，是由出气口1、渗积炉壁2、加热石墨套筒3、石墨盖板4、石墨垫片5、预制体6、石墨导流装置7、通孔8、石墨圆板9、带孔石墨圆板10组成；
所述气体输出和渗积炉压装置17，是由气体冷却装置20、电动执行器21、真空泵22、尾气处理装置23、气体阀门24组成。
本发明一种炭基复合材料快速定向渗积气流控制方法，该方法具体步骤如下：步骤一：将预制体6按图1安放在渗积炉内，盖上石墨盖板4，抽真空加热预制件，当预制件温度达到需要的温度时，打开气体控制阀14，将质子流量计15设定到指定流量，碳源气体天然气、丙烷和稀释气体氢气等多种气体从进气口13进入渗积炉内。
其中，渗积炉的炉内真空度为-0.1MPa；
步骤二：上述碳源气体天然气、丙烷和稀释气体氢气等多种气体进入导流石墨圆筒12，圆筒12内放置多层带孔石墨圆板10，带孔石墨圆板10之间用垫片11，垫片11的厚度为20mm，石墨圆板10的厚度为12mm，石墨导流装置7的高度为250mm，上述多种气体在带孔石墨圆板之间无序流动，实现多种气体的有效混合。
步骤三：混匀的上述碳源气体天然气、丙烷和稀释气体氢气等多种气体通过预热装置19内的导管流动到等温区后然后又从通孔8流出，气流定向流动通过预制体，在预制体内部沉积。
步骤四：关闭气体输出和渗积炉压装置17内的气体阀门24，通过电动执行器21控制炉压，上述碳源气体天然气、丙烷和稀释气体氢气等多种气体通过真空泵22抽出，通过尾气处理装置17进行后处理后排出。气体冷却装置20安装在电动执行器21之前，电动执行器21和气体阀门24平行安装。根据渗积进行的不同阶段，通过控制质子流量计15和电动执行器21，调节气流的流量和渗积炉内压力，获得最快的渗积速率和最佳的热解炭结构。渗积结束后，打开气体输出和渗积炉压装置17内的气体阀门24，将渗积炉内气体抽真空降温。