一种表面具有热解碳涂层的碳/碳复合材料发热体及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种表面具有热解碳涂层的碳/碳复合材料发热体及其制备方法，属于高温炉用发热体技术领域。首先对碳纤维预制体采用电耦合化学气相沉积(E‑CVI)工艺进行增密，制备成碳/碳(C/C)复合材料发热体胚体，经机械加工后，采用化学气相沉积(CVD)工艺在发热体表面沉积热解碳涂层，最后进行高温纯化处理。该方法具有制备周期短、成本低、能耗小等特点。该方法制备的发热体密度≥1.6g/cm

【技术实现步骤摘要】
一种表面具有热解碳涂层的碳/碳复合材料发热体及其制备方法
:本专利技术涉及高温炉用发热体
，具体涉及一种表面具有热解碳涂层的碳/碳复合材料发热体及其制备方法，所制备的发热体既适用于高温真空熔炼炉也适用于其他高温工业炉。
技术介绍
:高温真空熔炼炉是熔炼高温合金等金属的主要设备，使用温度高达1600℃，圆筒形电阻发热体的壁较薄，以满足对电阻值的要求。石墨材料因本身力学性能低、机械强度差、易损坏、使用寿命短等缺点，不适合制备薄壁圆筒形发热体。碳/碳(C/C)复合材料具有高温强度大、密度低、抗热震、膨胀系数小、导热、导电性能好、可设计性等特点，是制备薄壁高温发热体的理想材料。CVI工艺是制备C/C复合材料的主要工艺，是碳氢气体在高温下裂解，在碳纤维表面沉积碳基体的一种工艺，其特点是基体结晶性好、强度高、耐高温、耐烧蚀、耐侵蚀、化学稳定性好，升温过程无挥发。但是采用CVI工艺沉积的工件表面易结壳，需几次加工去壳，该工艺同时具有周期长、制备成本高等缺点。E-CVI是在CVI的基础上通过引入电磁场来加快沉积效率，使得材料的制备周期大大缩短，所制C/C材料同样具有强度大、电阻稳定等特点。另外，高温真空熔炼炉在熔炼金属的过程中，物料会飞溅到发热体上，随着附着物料增多，会损伤发热体，降低使用寿命。
技术实现思路
:针对现在技术中存在的不足之处，本专利技术的目的在于提供一种表面具有热解碳涂层的碳/碳复合材料发热体及其制备方法，所制备的C/C复合材料发热体不易附着物料，制备工艺周期短，效率高。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种表面具有热解碳涂层的碳/碳发热体的制备方法，该方法首先对碳纤维预制体采用电耦合化学气相沉积工艺(E-CVI工艺)进行增密处理(致密化处理)，制备成C/C复合材料发热体胚体；C/C复合材料发热体胚体经机械加工后获得C/C发热体，再采用化学气相沉积工艺(CVD)在C/C发热体表面沉积热解碳涂层，最后经高温纯化后获得所述表面具有热解碳涂层的C/C复合材料发热体。所述表面具有热解碳涂层的碳/碳复合材料发热体的制备方法，包括如下步骤：(1)界面层制备：采用等温CVI工艺(ICVI工艺)，将碳纤维预制体置于ICVI炉中沉积热解碳，在碳纤维预制体上制备厚度为0.4～2μm的热解碳界面层；(2)利用电耦合化学气相沉积工艺(E-CVI)，制备C/C复合材料发热体胚体，过程为：将步骤(1)制得的表面有界面层的碳纤维预制体置于带有水冷壁的E-CVI炉中沉积碳基体，获得C/C复合材料发热体胚体，整体密度控制在1.55～1.60g/cm3之间；(3)机械加工：将步骤(2)制备好的碳/碳(C/C)复合材料发热体胚体按照产品要求进行加工，制得所需形状和尺寸的碳/碳(C/C)发热体；(4)热解碳涂层制备：采用化学气相沉积(CVD)工艺，将步骤(3)加工成型后的碳/碳(C/C)发热体置于CVD炉中沉积热解碳涂层，以封闭碳/碳(C/C)发热体表面孔隙，得到所述表面具有热解碳涂层的碳/碳(C/C)发热体；通过控制沉积时间使发热体的终密度≥1.6g/cm3；(5)高温纯化：将步骤(4)制备的表面具有热解碳涂层的碳/碳(C/C)发热体置于高温纯化炉中进行纯化处理，得到表面具有热解碳涂层的碳/碳(C/C)复合材料发热体成品。上述步骤(1)中，所述碳纤维预制体按照发热体形状和性能要求制成，碳纤维预制体一般采用2D针刺结构，轴向采用一层12K(或3K、6K)无纬布与一层12KPANCF网胎铺层，环向采用一层12K(或3K、6K)无纬布与一层12KPANCF网胎铺层，交替叠加连续逐层针刺而成整体针刺织物；碳纤维预制体的体积密度一般要求在0.4～0.6g/cm3之间。上述步骤(1)中，所述等温CVI(ICVI)工艺制备界面层过程中：以丙烷为气态前驱体，氩气为稀释气体，沉积温度850～980℃，氩气流量为0.05～0.4m3/h，丙烷流量为0.05～0.4m3/h，沉积时间5-10h。上述步骤(2)中，所述电耦合化学气相沉积工艺(E-CVI)中，将表面有界面层的碳纤维预制体置于带有水冷壁的E-CVI炉内直接通电加热，纤维周围产生电磁场，由于预制体的隔热及外部气流和水冷壁的作用，预制体内形成温度梯度，反应气体在电磁场、温度场和流体场的相互作用下实现快速沉积。上述步骤(2)中，所述电耦合化学气相沉积工艺(E-CVI)中，以丙烷为气态前驱体，氩气为稀释气体，沉积温度(温度梯度范围)700～1100℃，氩气流量为0.03～0.5m3/h，丙烷流量为0.03～0.5m3/h，沉积时间10-40h。上述步骤(4)中，所述化学气相沉积(CVD)工艺中：以丙烷为气态前驱体，氩气为稀释气体，沉积温度1000～1200℃，氩气流量为0.04～0.6m3/h，丙烷流量为0.04～0.6m3h，沉积时间20-40h。上述步骤(5)中，所述高温纯化工艺中：纯化温度1700～2400℃，纯化时间5-10h。所制备的表面具有热解碳涂层的碳/碳复合材料发热体的密度≥1.6g/cm3，室温条件下电阻为20～35μΩ·m。所述发热体应用于高温真空熔炼炉或其他高温工业炉。本专利技术的优点及有益效果如下：1、本专利技术中，采用ICVI、E-CVI、CVD和纯化工艺制备发热体，制备周期可大大缩短，成本大幅降低，制备周期在40-90小时，成本仅为传统工艺的1/2。在C/C发热体表面均匀沉积一层热解碳涂层，从而填充了发热体表面的细孔，进一步增加了表层的致密性，使得飞溅的物料不易附着和损伤发热体，使发热体的使用寿命提高一倍。2、本专利技术方法制备的发热体密度≥1.6g/cm3，电阻率(20-35μΩ·m)。该发热体在高温真空熔炼炉中使用时升温速率高，保温段阻值稳定。附图说明：图1为E-CVI炉中发热体沉积示意图。图2为圆筒形发热体示意图。具体实施方式:下面结合实施例对本专利技术作进一步说明。本专利技术为表面具有热解碳涂层的碳/碳复合材料发热体，其制备方法包括如下步骤：(1)界面层制备：采用ICVI工艺将碳纤维预制体置于ICVI炉中沉积热解碳，在碳纤维预制体上制备厚度为0.4～2μm的热解碳界面层；碳纤维预制体按照发热体形状和性能要求制成筒状，以下实施例中碳纤维预制体采用2D针刺结构，轴向采用一层12K(或3K、6K)无纬布与一层12KPANCF网胎铺层，环向采用一层12K(或3K、6K)无纬布与一层12KPANCF网胎铺层，交替叠加连续逐层针刺而成整体针刺织物；碳纤维预制体的体积密度在0.4～0.6g/cm3之间。(2)将步骤(1)制得的表面有界面层的碳纤维预制体置于带有水冷壁的E-CVI炉中沉积C基体，获得碳/碳(C/C)复合材料发热体胚体，整体密度控制在1.55～1.60g/cm3之间；该步骤采用E-CVI工艺的过程为：将表面有界面层的碳纤维预制体置于带有水冷壁的E-CVI炉内直接通电加热，碳纤维预制体采用石墨夹具固定；通电后纤维周围产生电磁场，由于预制体的隔热及外部气流和水冷壁的作用，预制体内形成温度梯度(700～1100℃)，反应气体在电磁场、温度场和流体场的相互作用下实现快速沉积(图1)。(3)机械加工：将步骤(2)制备好的碳/碳(C/C)复合材料发热体胚体按照产品要求加工成所需形状和尺寸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表面具有热解碳涂层的碳/碳复合材料发热体的制备方法，其特征在于：该方法首先对碳纤维预制体采用E‑CVI工艺进行增密处理，制备成碳/碳复合材料发热体胚体；碳/碳复合材料发热体胚体经机械加工后获得碳/碳发热体，再采用化学气相沉积工艺在碳/碳发热体表面沉积热解碳涂层，最后经高温纯化后获得所述表面具有热解碳涂层的碳/碳复合材料发热体。

【技术特征摘要】
1.一种表面具有热解碳涂层的碳/碳复合材料发热体的制备方法，其特征在于：该方法首先对碳纤维预制体采用E-CVI工艺进行增密处理，制备成碳/碳复合材料发热体胚体；碳/碳复合材料发热体胚体经机械加工后获得碳/碳发热体，再采用化学气相沉积工艺在碳/碳发热体表面沉积热解碳涂层，最后经高温纯化后获得所述表面具有热解碳涂层的碳/碳复合材料发热体。2.根据权利要求1所述的表面具有热解碳涂层的碳/碳复合材料发热体的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：(1)界面层制备：采用等温CVI工艺，将碳纤维预制体置于CVI炉中沉积热解碳，在碳纤维预制体上制备厚度为0.4～2μm的热解碳界面层；(2)利用E-CVI工艺制备碳/碳复合材料发热体胚体，过程为：将步骤(1)制得的表面有界面层的碳纤维预制体置于带有水冷壁的E-CVI炉中沉积碳基体，获得碳/碳复合材料发热体胚体，整体密度控制在1.55～1.60g/cm3之间；(3)机械加工：将步骤(2)制备好的碳/碳复合材料发热体胚体按照产品要求进行加工，制得所需形状和尺寸的碳/碳发热体；(4)热解碳涂层制备：采用化学气相沉积工艺，将步骤(3)加工成型后的碳/碳发热体置于CVD炉中沉积热解碳涂层，以封闭碳/碳发热体表面孔隙，得到所述表面具有热解碳涂层的碳/碳发热体；通过控制沉积时间使发热体的终密度≥1.6g/cm3；(5)高温纯化：将步骤(4)制备的表面具有热解碳涂层的碳/碳发热体置于高温纯化炉中进行纯化处理，得到表面具有热解碳涂层的碳/碳发热体成品。3.根据权利要求2所述的表面具有热解碳涂层的碳/碳复合材料发热体的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述碳纤维预制体为筒状结构，按照发热体形状和性能要求制成，碳纤维预制体采用2D针刺结构；碳纤维预制体的体积密度一般要求在0.4～0.6g/cm3之间。4.根据权利要求2所述的表面具有热解碳涂层的碳/碳复合材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤素芳，黄宏涛，庞生洋，王永才，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21