碳化硅管和微波制備熱解炭裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種碳化硅管和微波制備熱解炭裝置。由管的中心軸向管外壁延伸的方向，本發(fā)明碳化硅管包括設置的保溫芯層、第一碳化硅層、通道層、第二碳化硅層和保溫層，所述第一碳化硅層套設在所述保溫芯層表面，所述保溫層套設在所述第二碳化硅層表面。本發(fā)明微波制備熱解炭裝置包括微波加熱腔體和微波發(fā)生系統(tǒng)，所述微波發(fā)生系統(tǒng)對所述微波加熱腔體進行加熱，在所述微波加熱腔體中設置有熱解炭裂解系統(tǒng)，所述裂解系統(tǒng)包括用于沉積熱解炭的裂解管，所述裂解管為本發(fā)明碳化硅管。本發(fā)明碳化硅管能夠使得通入通道內的碳源快速均勻受熱。本發(fā)明微波制備熱解炭裝置制備的裂解炭組織結構均勻，使其微觀可控，從而降低成本。
【專利說明】
碳化硅管和微波制備熱解炭裝置
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于微波化學氣相沉積(MCVD)、微波化學氣相滲透(MCVI)裝置技術領域，具體涉及一種碳化硅管和微波制備熱解炭裝置。
【背景技術】
[0002]炭/炭復合材料(C/C)作為一種性能獨特的新型復合材料，其摩擦磨損性能是其作為飛機剎車材料的關鍵，而基體炭的結構對其摩擦特性起著決定性的影響。炭/炭復合材料的基體炭包括采用化學氣相沉積得到的熱解炭(CVD炭)，由液相浸漬得到的樹脂炭和瀝青炭，以及由混合工藝得到的熱解炭和浸漬炭等.國外生產炭剎車盤的公司目前大多采用熱解炭作為基體炭，根據(jù)CVD工藝條件的不同可得到粗糙層(RL)、光滑層(SL)和各向同性(I SO) 3種不同結構的熱解炭。研究表明具有RL-PyC結構的C/C，在不同能載條件下具有較高的摩擦系數(shù)，剎車力矩曲線較為平穩(wěn)，磨損表面形成較為連續(xù)、致密的磨肩層;具有光滑層熱解炭結構的炭/復合材料在正常著陸條件下剎車力矩曲線波動很大，磨損較小，摩損表面形成較為粗糙的磨肩層;隨著能載水平的增加(中止起飛條件)，摩擦系數(shù)顯著下降，氧化磨損質量損失明顯增大，溫升較高，磨損表面氧化嚴重。具有粗糙層熱解炭結構的C/C摩擦性能較優(yōu)，尤其是其高能摩擦特性更優(yōu)，更適宜用作飛機剎車材料。
[0003]CVD制備熱解炭的方法一般包括以下幾種:
[0004]A)等溫法。在相對低的壓力下讓碳源氣體通過預制體表面，部分氣體被熱解產生熱解炭，這種方法工藝簡單，但生產周期長，制品容易產生表面結殼，不利于材料整體密度提升。
[0005]B)脈沖法。是一種改進的等溫法，在沉積過程中利用脈沖閥交替充氣抽真空，能增加滲透深度，只適合飛機剎車盤的后期致密化。
[0006]C)熱梯度法。是沿預制體厚度方向形成一定溫差，由于溫差影響，越接近材料內部，沉積速度越快，此法生產周期短，但是重復性差，不能制備復雜形狀結構件，故也難以滿足飛機剎車材料要求。
[0007]D)流化床法。是以石墨為基體，在爐子內加入流化床粒子，碳源氣體在流化床粒子作用下呈沸騰狀態(tài)，經(jīng)高溫熱解沉積在襯底上，該法適合制備核包覆材料，但是制備復雜結構件困難，并且結構成分均勻度難以控制，難以滿足飛機剎車材料需求。
[0008]總結現(xiàn)有制備熱解炭的方法，在CVD、CVI工藝中，影響熱解炭結構的因素主要有兩方面:氣體前驅體的輸送和化學反應動力學。根據(jù)上述工藝分析，從氣體前驅體輸送考慮而提出的工藝包括:脈沖CV1、壓力梯度CVI;從化學反應動力學考慮而提出的是各種熱梯度CVI工藝;綜合考慮氣體前驅體的輸送和化學反應動力學而提出的工藝包括:強制流動熱梯度CV1、限域變溫壓差CVI等。這些工藝的發(fā)展旨在提高致密化速率，且都取得一定的效果。而對于CVD，如何快速高效的制得均一結構的熱解炭至關重要，其直接關系到結構件能否使用，因此，對于一個理想的快速CVD、CVI工藝，應該在緩解氣體前驅體的輸送和反應動力學之間的矛盾的同時，加快氣體的輸送速率和沉積反應速率，從而整體提高CVI工藝的致密化速率，并且能夠根據(jù)需要控制工藝時間以及熱解炭結構。但是現(xiàn)有制備熱解炭設備在熱解炭時存在裂解速率慢，受熱不均勻從而導致組織結構不均勻，微觀不可控等問題。
【發(fā)明內容】
[0009]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的上述不足，提供一種碳化硅管和含有該碳化硅管的微波制備熱解炭裝置，以解決現(xiàn)有制備熱解炭設備在熱解炭時存在裂解速率慢，受熱不均勻從而導致組織結構不均勻，微觀不可控等問題。
[0010]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明一方面，提供了一種碳化硅管。由管的中心軸向管外壁延伸的方向，所述碳化硅管包括設置的保溫芯層、第一碳化硅層、通道層、第二碳化硅層和保溫層，所述第一碳化硅層套設在所述保溫芯層表面，所述保溫層套設在所述第二碳化娃層表面。
[0011]本發(fā)明另一方面，提供了一種微波制備熱解炭裝置。所述微波制備熱解炭裝置包括微波加熱腔體和微波發(fā)生系統(tǒng)，所述微波發(fā)生系統(tǒng)對所述微波加熱腔體進行加熱，在所述微波加熱腔體中設置有熱解炭裂解系統(tǒng)，所述裂解系統(tǒng)包括用于沉積熱解炭的裂解管，所述裂解管為權利要求1-6任一所述的碳化硅管。
[0012]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明碳化硅管在通道層兩面設置第一碳化硅層和第二碳化硅層，能夠實現(xiàn)對通道層內的碳源進行快速裂解，而且能提高碳源的均勻受熱;保溫芯層和保溫層能夠有效保證通道層內的溫度穩(wěn)定。因此，本發(fā)明碳化硅管能夠使得通入通道內的碳源快速受熱，且能夠使得碳源的均勻受熱和保持溫度的穩(wěn)定性，從而提高了裂解炭的沉積效率，且能夠保證裂解炭組織結構均勻。
[0013]本發(fā)明微波制備熱解炭裝置由于其裂解系統(tǒng)含有本發(fā)明碳化硅管，并采用微波對其加熱，因此，能使通入通道內的碳源快速受熱，且能夠使得碳源的均勻受熱和保持溫度的穩(wěn)定性，從而提高了裂解炭的沉積效率，且能夠保證裂解炭組織結構均勻，使其微觀可控，從而降低成本。
【附圖說明】
[0014]附圖1為本發(fā)明實施例碳化硅管的垂直于軸線的橫截面結構示意圖；
[0015]附圖2為本發(fā)明實施例碳化硅管的沿軸線的截面結構示意圖；
[0016]附圖3為本發(fā)明實施例微波制備熱解炭裝置結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖和實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0018]—方面，本發(fā)明實施例提供了一種能夠用于快速制備熱裂解炭的碳化硅管。所述碳化硅管的結構如圖1、2所示，由所述碳化硅管的中心軸向管外壁延伸的方向，所述碳化硅管包括設置的保溫芯層1、第一碳化硅層2、通道層3、第二碳化硅層4和保溫層5。
[0019]其中，保溫芯層I是對第一碳化硅層2起到保溫的作用，因此，保溫芯層I應該是均勻分布在第一碳化硅層2—表面，也即是第一碳化硅層2是設置在保溫芯層I的表面上，在具體實施例中，該第一碳化硅層2是套設在保溫芯層I的表面上，這樣使得第一碳化硅層2能夠均勻被保溫芯層I覆蓋，從而提高保溫芯層I對第一碳化硅層2的保溫效果，使得通道層3內的溫度能夠保持穩(wěn)定。
[0020]在一實施例中，保溫芯層I的直徑為2-5cm，如具體實施例中，其直徑為2cm、3cm、4cm、5cm等尺寸。通過對保溫芯層I直徑的控制，使得在有效對第一碳化硅層2起到保溫作用的同時，降低對保溫芯層I材料的消耗量，同時降低本發(fā)明實施例碳化硅管的整體尺寸。在另一實施例中，該保溫芯層I的材料可以但不僅僅選用普通石棉、高鋁石棉、含鋯石棉、莫來石纖維毯中的任一種。當然，只要是能夠實現(xiàn)保溫效果的其他保溫耐高溫材料均可以用于制備本發(fā)明保溫芯層I。
[0021]上述碳化硅管所含的第一碳化硅層2和第二碳化硅層4能夠被微波加熱，從而對通道層3加熱，使得通入在通道層3內的碳源受熱而發(fā)生裂解反應生成裂解炭。通過在通道層3兩面設置雙碳化硅層，能夠實現(xiàn)對通道層3內的碳源進行快速裂解，而且能提高碳源的均勻受熱。在一實施例中，所述第一碳化硅層2的厚度為6mm-15mm，如具體實施例中，其厚度為10mm、15mm;在另一實施例中，所述第二碳化娃層4的厚度為6mm-30mm，如具體實施例中，其厚度為8mm、10mm、15mm、20mm?；蛘咴谠僖粚嵤├?，所述第一碳化娃層2的厚度為的同時，所述第二碳化娃層4的厚度為6mm-30mm。通過對第一碳化娃層2和第二碳化娃層4厚度的控制，使得兩者能夠又被微波加熱，從而有效對通道層3加熱，從而使得通入在通道層3內的碳源能夠快速發(fā)生裂解反應生成裂解炭。
[0022]在一實施例中，控制所述第一碳化硅層2與所述第二碳化硅層4之間的間距為1-4cm。通過對該第一碳化硅層2與所述第二碳化硅層4之間的間距進行控制，從而實現(xiàn)對通道層3加熱速率等因素進行控制，從而使得通入在通道層3內的碳源能夠快速發(fā)生裂解反應生成裂解炭，并同時對裂解炭沉積的時間進行控制，從而間接對沉積的裂解炭的沉積效率進行控制，保證裂解炭組織結構均勻。
[0023]在一實施例中，所述第一碳化硅層2與所述第二碳化硅層4平行設置。通過將第一碳化硅層2與所述第二碳化硅層4設置成平行，可使間距內加熱氛圍均勻，從而提高了裂解炭的沉積效率，且能夠保證裂解炭組織結構均勻，使其微觀可控。
[0024]上述通道層3是由第一碳化硅層2和第二碳化硅層4兩者間隔設置所形成的通道腔體，如在實施例中，該通道層3可用于碳源或者其他保護氣體通過。在一實施例中，該通道層3的寬度，也即是第一碳化硅層2與第二碳化硅層4兩相對表面之間的間距為l-4cm。對該通道層3的寬度控制的作用如同上文中對該第一碳化硅層2與所述第二碳化硅層4之間的間距進行控制的作用相同，是使得通入在通道層3內的碳源能夠快速發(fā)生裂解反應生成裂解炭，并同時對裂解炭沉積的時間進行控制，從而間接對沉積的裂解炭的沉積效率進行控制，保證裂解炭組織結構均勻。
[0025]上述保溫層5是對第二碳化硅層4起到保溫的作用，因此，保溫層5應該是均勻分布在第二碳化硅層4的背離本發(fā)明實施例碳化硅管中心軸線線的外表面上，在具體實施例中，該保溫層5是套設在第二碳化硅層4的該表面上，這樣使得第二碳化硅層4能夠均勻被保溫層5覆蓋，從而提高保溫層5對第二碳化硅層4的保溫效果，使得通道層3內的溫度能夠保持穩(wěn)定。因此，通道層3內的溫度是通過保溫芯層I和保溫層5的共同作用，實現(xiàn)保溫效果，保證通道層3內的溫度保持穩(wěn)定。
[0026]在一實施例中，保溫層5的厚度為4-8cm，如在具體實施例匯總，其厚度為6cm。通過對保溫層5厚度的控制，使得在有效對第二碳化硅層4起到保溫作用的同時，降低對保溫層5材料的消耗量，同時降低本發(fā)明實施例碳化硅管的整體尺寸。在另一實施例中，該保溫層5的材料可以但不僅僅選用普通石棉、高鋁石棉、含鋯石棉、莫來石纖維毯中的任一種。當然，只要是能夠實現(xiàn)保溫效果的其他保溫耐高溫材料均可以用于制備本發(fā)明保溫層5。另外，保溫芯層I和保溫層5的材料可以相同，也可以不同，只要是兩者能夠發(fā)揮共同的保溫作用，維護通道層3內溫度的穩(wěn)定即可。
[0027]由此，本發(fā)明實施例碳化硅管能夠使得通入通道內的碳源快速受熱，且能夠使得碳源的均勻受熱和保持溫度的穩(wěn)定性，從而提高了裂解炭的沉積效率，且能夠保證裂解炭組織結構均勻。
[0028]另一方面，在上述本發(fā)明實施例碳化硅管的基礎上，本發(fā)明實施例還提供了一種微波制備熱解炭裝置。所述微波制備熱解炭裝置結構如圖3所示，其包括微波加熱腔體和微波發(fā)生系統(tǒng)01，所述微波發(fā)生系統(tǒng)01對所述微波加熱腔體進行加熱，在所述微波加熱腔體中設置有熱解炭裂解系統(tǒng)。
[0029]其中，在一實施例中，微波發(fā)生系統(tǒng)01可以是微波爐，在具體實施例中，該微波爐可以為多模諧振腔設計，并采用多組磁控管正交排列，定向聚焦輻射，從而實現(xiàn)腔體內微波加熱的均勻性，恒溫恒壓反應氣氛一致，從而制得結構均勻的裂解炭，如RL-PyC。
[0030]上述裂解系統(tǒng)設置方式可以是跟現(xiàn)有的CVD、CVI方法裝置中裂解系統(tǒng)設置方式相同，其對碳源進行加熱并使得碳源發(fā)生裂解生成裂解炭。在一實施例中，該裂解系統(tǒng)包括的用于沉積熱解炭的裂解管為上文本發(fā)明實施例所述的碳化硅管。這樣，本發(fā)明實施例微波制備熱解炭裝置由于其裂解系統(tǒng)含有本發(fā)明實施例碳化硅管，并采用微波對其加熱，能使通入通道內的碳源快速受熱，且能夠使得碳源的均勻受熱和保持溫度的穩(wěn)定性，從而提高了裂解炭的沉積效率，且能夠保證裂解炭組織結構均勻，使其微觀可控，從而降低成本。
[0031]在一實施例中，在所述碳化硅管的進氣端還設有保溫底層6，如圖2所述，以對所述碳化硅管的進氣端和進氣管道進行保溫。在具體實施例中，該保溫底層6材料選用但不僅僅為石棉磚。在另一具體實施例中，從進氣端與漏斗狀進氣部件7連通，使得由漏斗狀進氣部件輸送的氣流進入通道層3內。
[0032]在進一步實施例中，本發(fā)明實施例微波制備熱解炭裝置還包括控溫系統(tǒng)(圖為顯示)。在具體實施例中，該控溫系統(tǒng)為紅外自動探溫控溫。
[0033]在進一步實施例中，本發(fā)明實施例微波制備熱解炭裝置還包括控壓系統(tǒng)02，如圖3所示。在具體實施例中，該控壓系統(tǒng)02為液壓真空系統(tǒng)以實現(xiàn)自動控壓，從而實現(xiàn)裂解反應氣氛均勻。
[0034]另外，本發(fā)明實施例微波制備熱解炭裝置還設置有儀表區(qū)03和電氣箱04，如圖3所示。該儀表區(qū)03和電氣箱04所起的作用跟現(xiàn)有的CVD、CVI方法裝置所設的儀表區(qū)和電氣箱的作用相同。
[0035]本發(fā)明微波制備熱解炭裝置由于其裂解系統(tǒng)含有本發(fā)明碳化硅管，并采用微波對其加熱，因此，能使通入通道內的碳源快速受熱，且能夠使得碳源的均勻受熱和保持溫度的穩(wěn)定性，從而提高了裂解炭的沉積效率，且能夠保證裂解炭組織結構均勻，使其微觀可控，從而降低成本。
[0036]由此，本發(fā)明實施例微波制備熱解炭裝置微波直接加熱，操作方便，從而使得短時間內沉積區(qū)域達到目標溫度，沉積結束，停止微波，即立刻停止加熱，降溫迅速，可以縮短降溫所需時間，并且可以智能控制降溫速度。后續(xù)停爐檢查及改變工藝都很容易進行，并且在出現(xiàn)問題時，可緊急停止反應，從而保證實驗裝置及人員的安全。此種裝置縮短了工藝時間，提高了生產率，從而降低成本，并且可以控制產品質量。
[0037]以上是對本發(fā)明實施例所提供的一種碳化硅管和微波制備熱解炭裝置詳細介紹。本文中應用了具體實施例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種碳化硅管，其特點在于:由管的中心軸向管外壁延伸的方向，所述碳化硅管包括設置的保溫芯層、第一碳化硅層、通道層、第二碳化硅層和保溫層，所述第一碳化硅層套設在所述保溫芯層表面，所述保溫層套設在所述第二碳化硅層表面。2.根據(jù)權利要求1所述的碳化硅管，其特征在于:所述第一碳化硅層與所述第二碳化硅層之間的間距為l-4cm03.根據(jù)權利要求1所述的碳化娃管，其特征在于:所述第一碳化娃層的厚度為6mm-15mm;和/或 所述第二碳化娃層的厚度為6mm-30mm。4.根據(jù)權利要求1-3任一所述的碳化硅管，其特征在于:所述第一碳化硅層與所述第二碳化硅層平行設置。5.根據(jù)權利要求1-3任一所述的碳化硅管，其特征在于:所述保溫芯層的直徑為2-5cm;和/或 所述保溫層的厚度為4-8cm。6.根據(jù)權利要求5所述的碳化硅管，其特征在于:所述保溫芯層和保溫層材料相同或不相同的為普通石棉、高鋁石棉、含鋯石棉、莫來石纖維毯中的任一種。7.—種微波制備熱解炭裝置，包括微波加熱腔體和微波發(fā)生系統(tǒng)，所述微波發(fā)生系統(tǒng)對所述微波加熱腔體進行加熱，其特征在于:在所述微波加熱腔體中設置有熱解炭裂解系統(tǒng)，所述裂解系統(tǒng)包括用于沉積熱解炭的裂解管，所述裂解管為權利要求1-6任一所述的碳化硅管。8.根據(jù)權利要求7所述的微波制備熱解炭裝置，其特征在于:在所述碳化硅管的進氣端還設有保溫底層，以對所述碳化硅管的進氣端和進氣管道進行保溫。9.根據(jù)權利要求7或8所述的微波制備熱解炭裝置，其特征在于:還包括控溫系統(tǒng)和/或控壓系統(tǒng)，所述控溫系統(tǒng)實現(xiàn)對所述微波加熱腔體內的溫度進行控制;所述控壓系統(tǒng)實現(xiàn)對所述微波加熱腔體內和熱解炭裂解系統(tǒng)的真空度進行控制。
【文檔編號】C04B35/83GK106007770SQ201610343886
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】曾燮榕, 鄒廣金, 肖煜琨, 鄒繼兆, 吳洪亮
【申請人】深圳大學