一种在连续碳化硅纤维表面快速沉积碳涂层的设备和使用方法技术

本发明专利技术涉及一种在连续碳化硅纤维表面快速沉积碳涂层的设备和使用方法。所述设备是在现有设备的基础上首次设计了带有挂丝齿的挂丝设备，并将其装配到浸渍设备之前，通过挂丝设备对原料连续碳化硅纤维表面的处理，其不仅仅可以去除表面毛丝还可以使其表面机械活化，这为后续得到优质的碳层提供了必要条件。本发明专利技术依托所设计的连续碳涂层生产线，不需要预先对纤维表面进行腐蚀处理，先将连续SiC纤维经挂丝设备活化处理后在水性有机溶液中浸渍，然后烘干后再进行裂解和CVD，从而在连续SiC纤维表面快速形成牢固的碳涂层。本发明专利技术设备结构设计合理，制备工艺简单可控，所得产品性能优良，便于大规模工业化应用。便于大规模工业化应用。便于大规模工业化应用。

【技术实现步骤摘要】
一种在连续碳化硅纤维表面快速沉积碳涂层的设备和使用方法


[0001]本专利技术涉及一种在连续碳化硅纤维表面快速沉积碳涂层的设备和使用方法。

技术介绍

[0002]碳化硅纤维具有优异的耐高温抗氧化性能，在常温和高温下都具有良好的耐化学腐蚀性能，同时还具有高的比强度和比模量，碳化硅纤维在航空航天、核能等高
上具有巨大的应用潜力。
[0003]高强度连续碳化硅纤维可用于增强SiC基体来制备陶瓷基复合材料(简称SiC
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/SiC CMCs，CMCs为Ceramic Matrix Composites的缩写)。SiC
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/SiC陶瓷基复合材料是核能和航空航天领域非常有前途的核心部件候选材料。SiC
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/SiC陶瓷基复合材料可以通过多种方法来制造，例如聚合物渗透和热解(PIP)法、化学气相渗透(CVI)法、熔体渗透/反应烧结(MI/RS)法、纳米渗透和瞬态共晶烧结(NITE)法等等。
[0004]SiC
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/SiC陶瓷基复合材料大规模生产的瓶颈问题之一是具有适当厚度的表面涂层的SiC纤维的稳定供应。对于SiC
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/SiC陶瓷基复合材料这种脆性基体复合材料，其力学行为由纤维/基体的界面所决定。氮化硼(BN)和热解碳(PyC)是SiC
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/SiC陶瓷基复合材料界面常用的材料，这是由于这两种表面涂层均具有低摩擦、低剪切模量的特性。由于BN比PyC具有更好的抗氧化性，所以在航空航天领域通常采用带有BN涂层的SiC纤维来制备SiC
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/SiC陶瓷基复合材料，但是这种复合材料难以应用于核能上，这是由于
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B具有较高的中子截面，会俘获中子，并嬗变成He。而碳在非氧化环境下具有优异的稳定性、抗中子辐射和耐高温性能，因此采用热解碳涂层的SiC纤维最有希望被应用于核聚变和气冷快堆中。
[0005]CVI或化学气相沉积(CVD)的方法是制备SiC
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/SiC复合材料以及在SiC纤维上制备热解碳涂层的经典制造方法。但是传统CVI/CVD方法的最大缺点是其处理时间极长，而且由于传统的CVI/CVD是采用封闭式炉体进行，因此产品的形状和尺寸受其腔室尺寸的限制，且当连续的长纤维堆积在一起用于纤维涂层过程时，会产生一些问题：例如相邻的纤维束之间发生交叉粘合以及发生扭曲或弯曲变形。
[0006]此外采用CVI/CVD方法在SiC纤维表面制备热解碳涂层时往往需要先对纤维表面进行化学处理以提高热解碳涂层的结合性，如中国专利CN107810173A或CN104379538A都提及了一些使用含有氢氟酸的化学溶液对纤维表面进行处理，以改善后续形成热解碳涂层的结合性。但该方法由于需要采用毒性较高的氢氟酸，污染性大，而且处理连续纤维时并不方便，也不易保证处理效果的一致性。

技术实现思路

[0007]针对碳化硅纤维在大规模生产SiC
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/SiC陶瓷基复合材料的瓶颈问题，本专利技术首次提出一种在连续碳化硅纤维表面快速沉积碳涂层的方法并开发出了适合该方法的设备。本专利技术以连续碳化硅纤维为处理对象，在无需进行酸处理的前提下，通过浸渍引入第一碳源，
然后利用沉积过程中引入的第二碳源，经同步进行的裂解和气相沉积，快速得到表面为碳层的连续碳化硅纤维。
[0008]本专利技术所得表面为碳层的连续碳化硅纤维，其表面质量良好。
[0009]本专利技术依托所设计的连续碳涂层生产线，不需要预先对纤维表面进行腐蚀处理，先将连续SiC纤维经挂丝设备处理后在水性有机溶液中浸渍，然后烘干后再进行裂解和CVD，从而在连续SiC纤维表面快速形成牢固的碳涂层。
[0010]本专利技术提出了一种在连续碳化硅纤维表面快速沉积碳涂层的设备；所述设备包括：
[0011]放丝设备1、挂丝设备2、第一转向轮4、第二转向轮5、第三转向轮6、第四转向轮7、浸渍装置8、至少一组浸渍液均匀化辊轮9、烘干炉10、连续CVD炉11、收卷设备12；当设备工作时，丝线依次经放丝设备1、挂丝设备2、第一转向轮4、第二转向轮4、第三转向轮6、第四转向轮7、辊轮9、烘干炉10、连续CVD炉11，最后经收卷设备12进行卷丝；所述第二转向轮5、第三转向轮6位于浸渍装置8内，第一转向轮4、第四转向轮7位于浸渍装置外，
[0012]挂丝设备设有孔或通道，其孔或通道的孔径为放丝设备所放出丝线的直径的0.98～0.999倍，首次使用时，可以通过热胀冷缩的方式，或者通过螺栓紧固，或者通过上、下轮对接时加压的方式实现。在本专利技术中挂丝设备主要作用是脱除连续碳化硅纤维表面的毛丝并实现其机械活化。当然如果能在表面产生微裂纹，这对于本专利技术来说是有好处的。适当尺寸的和数量的微裂纹，有利于后续的浸渍，进而有利于得到优质的碳包覆层。同时这些表面存在的微裂纹在后续处理时，有利于活性硅碳化物的生成，进而提升产品的性能。
[0013]在工业上应用时，挂丝设备和第一转向轮中间设有朝背离浸渍装置方向，向下或斜向下吹风的吹风装置或向下或斜向下设置的吸尘装置3。这样设置，可以避免脱除的杂质落入浸渍液中。
[0014]在工业上应用时，所述挂丝装置为带有挂丝齿18的挂丝辊，挂丝辊有2个带有挂丝齿的辊轮构成，两个辊轮之间的最小间距为0.98～0.995倍。挂丝齿不仅可以起到去除碳化硅纤维表面杂质的作用，还可以在碳化硅纤维表面留下划痕或者活化区域，这为后续浸渍
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沉积优质碳提供必要条件。所述挂丝辊的组数优选为1
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3组。当挂丝辊的组数大于等于2时，碳化硅纤维上的活化区域变得可以调整。而且经这一工序处理后所得产品，经编织后，其可以承载信息量成倍增加。
[0015]在工程上应用时，挂丝辊17与传动装置16相连，通过传动装置调节两个辊轮之间的最小间距。
[0016]在工业上应用时，所述挂丝装置为带有挂丝齿18的N组挂丝瓦20；一组挂丝瓦20有两片呈弧度的挂丝瓦构成，所述呈弧度的挂丝瓦，其朝着圆心的一面上设有挂丝齿18；构成一组挂丝瓦的两片呈弧度的挂丝瓦，其挂丝齿18呈相对设置，碳化硅纤维穿过N组挂丝瓦并与N组挂丝瓦中至少1颗挂丝齿18接触；所述任意一片挂丝瓦与传动装置相连，在传动装置的最用下，构成一组挂丝瓦的两片挂丝瓦的间距得到调整，调整后，一组挂丝瓦内，位于不同挂丝瓦上的挂丝齿18的最大间距为0.98
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0.999倍碳化硅纤维的直径。当然本专利技术的设备也可以生产其的需要浸渍+CVD沉积热解炭的纤维，操作时，只需要一组挂丝瓦内，位于不同挂丝瓦上的挂丝齿18的最大间距为0.98
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0.999倍待浸渍或沉积纤维的直径。所述N为大于等于1正整数。
[0017]本专利技术一种在连续碳化硅纤维表面快速沉积碳涂层的设备的应用；包括下述步骤：
[0018]连续碳化硅纤维依次经放丝设备1、挂丝设备2、第一转向轮4、第二转向轮5、第三转向轮6、第四转向轮7、浸渍液均匀化辊轮9、烘干炉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在连续碳化硅纤维表面快速沉积碳涂层的设备，其特征在于；所述设备包括：放丝设备(1)、挂丝设备(2)、第一转向轮(4)、第二转向轮(5)、第三转向轮(6)、第四转向轮(7)、浸渍装置(8)、至少一组浸渍液均匀化辊轮(9)、烘干炉(10)、连续CVD炉(11)、收卷设备(12)；当设备工作时，丝线依次经放丝设备(1)、挂丝设备(2)、第一转向轮(4)、第二转向轮(5)、第三转向轮(6)、第四转向轮(7)、浸渍装置(8)、至少一组浸渍液均匀化辊轮(9)、烘干炉(10)、连续CVD炉(11)，最后经收卷设备(12)进行卷丝；所述第二转向轮(5)、第三转向轮(6)位于浸渍装置()8内，第一转向轮(4)、第四转向轮(7)位于浸渍装置外，挂丝设备设有孔或通道，其孔或通道的孔径为放丝设备所放出丝线的直径的0.98～0.999倍。2.根据权利要求1所述的一种在连续碳化硅纤维表面快速沉积碳涂层的设备，其特征在于：挂丝设备(2)和第一转向轮(4)中间设有朝背离浸渍装置方向，向下或斜向下吹风的吹风装置或向下或斜向下设置的吸尘装置(3)。3.根据权利要求1所述的一种在连续碳化硅纤维表面快速沉积碳涂层的设备，其特征在于：所述挂丝装置为带有挂丝齿(18)的挂丝辊(17)，挂丝辊有2个带有挂丝齿的辊轮构成，两个辊轮之间的最小间距为0.98～0.995倍。4.根据权利要求3所述的一种在连续碳化硅纤维表面快速沉积碳涂层的设备，其特征在于：所述挂丝辊的组数优选为1
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3组。5.根据权利要求3所述的一种在连续碳化硅纤维表面快速沉积碳涂层的设备，其特征在于：挂丝辊(17)与传动装置(16)相连，通过传动装置(16)调节两个辊轮之间的最小间距。6.根据权利要求1所述的一种在连续碳化硅纤维表面快速沉积碳涂层的设备，其特征在于：所述挂丝装置为带有挂丝齿(18)的N组挂丝瓦(20)；一组挂丝瓦(20)有两片呈弧度的挂丝瓦构成，所述呈弧度的挂丝瓦，其朝着圆心的一面上设有挂丝齿(18)；构成一组挂丝瓦的两片呈弧度的挂丝瓦，其挂丝齿(18)呈相对设置，碳化硅纤维穿过N组挂丝瓦并与N组挂丝瓦中至少1颗挂丝齿(18)接触；所述任意一片挂丝瓦与传动装置相连，在传动装置的最用下，构成一组挂丝瓦的两片挂丝瓦的间距得到调整，调整后，一组挂丝瓦内，位于不同挂丝瓦上的挂丝齿...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄小忠，刘锐，刘鹏，戴吉，易君，陈旋，黄立，
申请(专利权)人：湖南泽睿新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：