專利名稱：碳/碳復合材料密封環及其生產方法
技術領域：
本發明涉及一種耐磨密封零件，具體地說是一種碳/碳復合材料密封環及其生產 方法，特別是用于密煉機的碳/碳復合材料密封環及其生產方法。
背景技術：
密煉機是現代橡膠工業不可缺少的主要設備，主要用于橡膠的塑煉和混煉。密煉 機有一對特定形狀并相對回轉的轉子，在一定溫度和壓力的密閉狀態下，間隙性地對橡膠 等聚合物材料進行塑煉和混煉。該設備通常由密煉室、轉子、轉子密閉裝置、潤滑系統、傳 動裝置、機座等組成。目前，其轉子密閉裝置一般采用機械或液壓式密封結構，密封環采用 金屬材料加工，為了提高密封環的耐磨性，摩擦面上往往堆焊硬質耐磨合金，并在煉膠過程 中，密封裝置中的密封面之間必須注入高壓潤滑油，形成一層密封油膜，及在環形間隙中注 入工藝油，使膠料和粉塵形成粘流態，防止粉塵逸出及漏膠。而注入的高壓油經常進入到混 煉室內部，影響煉膠質量，特別是醫用橡膠以及一些不能加油膠種的混煉及終煉。碳/碳復 合材料是一種將碳纖維制成的網胎和碳布根據所需要求，通過針刺使之疊層復合，制成預 制體，再經過增密、炭化和石墨化處理而成，具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐燒蝕、熱膨 脹系數小、耐急冷急熱而不變形不開裂等優良性能，特別適應于高溫領域，現已成為或將逐 步成為航空航天、冶金、新能源等領域的重要基礎材料之一。
發明內容
本發明的目的是提供一種實現無油潤滑的密煉機用碳/碳復合材料密封環及其 生產方法。本發明是采用如下技術方案實現其發明目的的，一種碳/碳復合材料密封環，所 述的密封環由碳纖維經制坯一增密一機加工制成，密封環的表觀密度為1. 2g/cm3 2. Og/
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cm ο一種如上所述碳/碳復合材料密封環的生產方法，它包括以下步驟(1)制坯將由碳纖維制成的網胎和碳布根據所需要求，通過針刺使之疊層復合， 制成板狀或環狀預制體，所述預制體的表觀密度0. 3g/cm3 0. 7g/cm3 ；(2)增密將步驟⑴所得的預制體經化學氣相沉積增密，使預制體表觀密度達到 1. 2g/cm3 2. Og/cm3后，經石墨化處理，制成坯體；(3)機加工將步驟⑵所得碳/碳復合材料坯體機加工成所需形狀和尺寸的密 封環成品。本發明為縮短生產周期，降低成本，在步驟(2)中，化學氣相沉積增密后進行浸漬 固化增密將坯體放入浸漬爐浸漬固化增密，使坯體表觀密度達到1. 2g/cm3 2. Og/cm3,經 石墨化處理，制成坯體。本發明在步驟(1)中，所述網胎的面密度為30g/m2 130g/m2，碳布的面密度為 180g/m2 480g/m2，疊層復合中，針刺深度為6mm 25mm ；針刺密度3次/cm2 10次/cm2 ；層密度為5層/cm 20層/cm。本發明為降低碳/碳復合材料密封環的生產成本，提高綜合性能，密封環的摩擦 面與環體采用密度梯度設置，所述碳/碳復合材料密封環包括摩擦面、環體，摩擦面和環體 均由碳纖維經制坯一增密一機加工制成，密封環摩擦面的表觀密度為1. 5g/cm3 2. Og/ cm3，環體的表觀密度為1. 2g/cm3 1. 8g/cm3。一種如上所述碳/碳復合材料密封環的生產方法，它包括以下步驟(1)制坯將由碳纖維制成的網胎和碳布根據所需要求，通過針刺使之疊層復合， 制成板狀或環狀預制體，所述預制體中摩擦面的表觀密度0. 5g/cm3 0. 7g/cm3，環體的表 觀密度 0. 3g/cm3 0. 5g/cm3 ；(2)增密將步驟⑴所得的預制體經化學氣相沉積增密，使預制體中摩擦面與環 體的表觀密度分別達到1. 5g/cm3 2. 0g/cm3、l. 2g/cm3 1. 8g/cm3后，經石墨化處理，制成 坯體；(3)機加工將步驟⑵所得碳/碳復合材料坯體機加工成所需形狀和尺寸的密 封環成品。本發明為有利于制作有密度梯度的預制體，在步驟(1)中，摩擦面與環體之間設 有緩滲層，所述的緩滲層為膨脹石墨紙或硫酸紙；為保證坯體的強度，膨脹石墨紙或硫酸紙 上設有孔。本發明為縮短生產周期，降低成本，在步驟(2)中，化學氣相沉積增密后進行浸漬 固化增密使摩擦面與環體的表觀密度分別達到1. 5g/cm3 2. 0g/cm3、l. 2g/cm3 1. 8g/ cm3,經石墨化處理，制成坯體。本發明為使坯體在步驟(2)的浸漬固化增密中有利于形成摩擦面與環體的密度 梯度，在環體表面設有緩滲層，所述的緩滲層為膨脹石墨紙或硫酸紙。本發明在步驟(1)中，所述網胎的面密度為30g/m2 130g/m2，碳布的面密度為 180g/m2 480g/m2，疊層復合中，針刺深度為6mm 25mm ；針刺密度3次/cm2 10次/cm2 ； 層密度為5層/cm 20層/cm。由于采用上述技術方案，本發明較好的實現了發明目的，由碳/碳復合材料制成 的密封環自潤滑性能好，耐磨損，其耐腐蝕性能優良，保證了密煉機轉子的密封效果及設備 的安全運行，此外，密封環的摩擦面與環體采用密度梯度設置，降低了碳/碳復合材料密封 環的生產成本，提高了綜合性能。
圖1是本發明實施例1的結構示意圖；圖2是本發明實施例5的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。實施例1 由圖1可知，一種碳/碳復合材料密封環，所述的密封環由碳纖維經制坯一增密一 機加工制成，密封環的表觀密度為1. 2g/cm3 2. Og/cm3 (本實施例為1. 56g/cm3)。
一種如上述碳/碳復合材料密封環的生產方法，它包括以下步驟(1)制坯選取6mm-70mm長的短碳纖維，經開松設備開松成蓬松的針狀纖維，然 后把開松好的碳纖維經氣流成網和/或梳理成網，再利用鋪網機鋪成纖維網，預刺成網胎。 將由碳纖維制成的網胎和碳布根據所需密度要求，通過針刺使之疊層復合，制成板狀或環 狀預制體(本實施例為環狀)。所述預制體的表觀密度0. 3g/cm3 0. 7g/cm3 (本實施例為
0.46g/cm3)。疊層復合時，網胎的面密度為30g/m2 130g/m2 (本實施例為65g/m2)，碳布的 面密度為180g/m2 480g/m2 (本實施例為280g/m2)，針刺深度為6mm 25mm(本實施例為 9mm)；針刺密度3次/cm2 10次/cm2 (本實施例為7次/cm2)；層密度為5層/cm 20層 /cm (本實施例為12層/cm)。(2)增密將步驟(1)所得的預制體經化學氣相沉積增密，使預制體表觀密度達到
1.2g/cm3 2. Og/cm3 (本實施例為1. 56g/cm3)后，經石墨化處理，制成坯體。在化學氣相沉 積增密中，所用碳源氣體為天然氣，流量為15L/min 40L/min (本實施例為29L/min)，溫度 為850 1200 0C (本實施例為1050 0C )，壓力為0. 5KPa 1. 5KPa (本實施例為0. 9KPa)， 增密1 4個周期(本實施例為3個周期)，每個周期為60h 160h (本實施例為120h)。 每次增密后，根據坯體表層具體情況，將密封環坯體表層用機加工方式剝離，以保證后續增 密的增密效果。(3)機加工將步驟(2)所得碳/碳復合材料坯體機加工成所需形狀和尺寸的密 封環成品。本實施例為便于裝卸，密封環可采用剖分式結構；同時，為保證其密封性能，剖分 后的動(靜)密封環接觸部位可設計成臺階式或公母榫等結構。實施例2:密封環的表觀密度為1. 8g/cm3。本實施例為縮短生產周期，降低成本，在步驟(2)中，在進行2個周期的化學氣相 沉積增密后，將坯體放入浸漬爐里浸沒在熱塑性樹脂(本實施例為呋喃樹脂)中進行浸漬 固化增密。化學氣相沉積增密后的坯體表觀密度達到1.2g/cm3，再將坯體放入浸漬爐浸漬 固化增密，使坯體表觀密度達到1. 8g/cm3，經石墨化處理，制成坯體。浸漬固化增密中，浸漬溫度為50°C 80°C，壓力為IMPa 3MPa，浸漬時間為 1. 5h 4h ；固化溫度為160°C 230°C，壓力為IMPa 3MPa，固化時間為1.511 411，浸漬 固化增密1 3個周期。本實施例采用2個浸漬固化增密周期，且在第1個周期后，將經第1次浸漬固化增 密后的坯體進行炭化處理，并將其表層用機加工方式剝離，以保證第2次浸漬固化增密周 期的增密效果。第1次浸漬固化增密時，浸漬溫度為60°C，壓力為1. 5MPa，浸漬時間為2. 5h ；固化 溫度為200°C，壓力為IMPa，固化時間為3h，坯體表觀密度為1. 55cm3 ；第2次浸漬固化增密 時，浸漬溫度為60°C，壓力為2. 5MPa，浸漬時間為2. 5h ；固化溫度為200°C，壓力為IMPa，固 化時間為2h。余同實施例1。實施例3 本發明為降低碳/碳復合材料密封環的生產成本，提高綜合性能，密封環的摩擦
面與環體采用密度梯度設置。一種碳/碳復合材料密封環，密封環包括摩擦面1、環體2，摩擦面1和環體2均 由碳纖維經制坯一增密一機加工制成，密封環摩擦面1的表觀密度為1. 5g/cm3 2. Og/ cm3 (本實施例為1. 8g/cm3)，環體2的表觀密度為1. 2g/cm3 1. 8g/cm3 (本實施例為1. 5g/
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cm ； ο一種如上述碳/碳復合材料密封環的生產方法，它包括以下步驟(1)制坯選取6mm-70mm長的短碳纖維，經開松設備開松成蓬松的針狀纖維，然后 把開松好的碳纖維經氣流成網和/或梳理成網，再利用鋪網機鋪成纖維網，預刺成網胎。將 由碳纖維制成的網胎和碳布根據所需密度要求，通過針刺使之疊層復合，制成板狀或環狀 預制體(本實施例為環狀)。先將網胎與碳布通過針刺使之疊層復合成氈，再將氈與碳布 通過針刺使之疊層復合成預制體中的摩擦面1 ；然后在摩擦面1上將網胎與碳布通過針刺 使之疊層復合成環體2。所述預制體中摩擦面1的表觀密度0. 5g/cm3 0. 7g/cm3(本實施 例為0. 6g/cm3)，環體2的表觀密度0. 3g/cm3 0. 5g/cm3 (本實施例為0. 4g/cm3)。疊層復 合時，網胎的面密度為30g/m2 130g/m2 (本實施例為75g/m2)，碳布的面密度為180g/m2 480g/m2 (本實施例為320g/m2)，針刺深度為6mm 25mm(本實施例為9mm)；針刺密度3次 /cm2 10次/cm2 (本實施例為7次/cm2)；摩擦面1的層密度為5層/cm 20層/cm(本 實施例為15層/cm)，環體2的層密度為5層/cm 20層/cm(本實施例為10層/cm)。(2)增密將步驟(1)所得的預制體經化學氣相沉積增密，使預制體中摩擦面1 與環體2的表觀密度分別達到1. 5g/cm3 2. Og/cm3 (本實施例為1. 8g/cm3) U. 2g/cm3 1.8g/cm3(本實施例為1.5g/cm3)后，經石墨化處理，制成坯體。在化學氣相沉積增密中，所 用碳源氣體為天然氣，流量為15L/min 40L/min(本實施例為29L/min)，溫度為850°C 12000C (本實施例為1050°C )，壓力為0.5KPa 1. 5Kpa(本實施例為0. 9KPa)，增密1 4個周期(本實施例為3個周期)，每個周期為60h 160h (本實施例為IOOh)。每次增密 后，根據坯體表層具體情況，將密封環坯體表層用機加工方式剝離，以保證后續增密的增密 效果。(3)機加工將步驟(2)所得碳/碳復合材料坯體機加工成所需形狀和尺寸的密 封環成品。本實施例為便于裝卸，密封環可采用剖分式結構；同時，為保證其密封性能，剖分 后的動(靜)密封環接觸部位可設計成臺階式或公母榫等結構。實施例4 一種碳/碳復合材料密封環，密封環摩擦面1的表觀密度為1. 5g/cm3 2. Og/ cm3 (本實施例為1. 8g/cm3)，環體2的表觀密度為1. 2g/cm3 1. 8g/cm3 (本實施例為1. 5g/
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cm ； ο本實施例為縮短生產周期，降低成本，在步驟(2)中，在進行1個周期的化學氣相 沉積增密后(本周期為160h)，將坯體放入浸漬爐里浸沒在熱塑性樹脂(本實施例為糠酮樹 脂)中進行浸漬固化增密。化學氣相沉積增密后摩擦面1的表觀密度達到1.2g/cm3，環體 2的表觀密度達到0. 9g/cm3，再將坯體放入浸漬爐浸漬固化增密，摩擦面1的表觀密度達到 1. 8g/cm3，環體2的表觀密度達到1. 5g/cm3，經石墨化處理，制成坯體。浸漬固化增密中，浸漬溫度為50°C 80°C，壓力為IMPa 3MPa，浸漬時間為1. 5h 4h ；固化溫度為160°C 230°C，壓力為IMPa 3MPa，固化時間為1. 5h 4h，浸漬 固化增密1 3個周期。 本實施例采用2個浸漬固化增密周期，且在第1個周期后，將經第1次浸漬固化增 密后的坯體進行炭化處理，并將其表層用機加工方式剝離，以保證第2次浸漬固化增密周 期的增密效果。第1次浸漬固化增密時，浸漬溫度為60°C，壓力為1. 5MPa，浸漬時間為2. 5h ；固化 溫度為200°C，壓力為IMPa，固化時間為3h，坯體表觀密度為1. 55cm3 ；第2次浸漬固化增密 時，浸漬溫度為60°C，壓力為2. 5MPa，浸漬時間為2. 5h ；固化溫度為200°C，壓力為IMPa，固 化時間為2h。余同實施例3。實施例5 由圖2可知，本實施例為有利于制作有密度梯度的預制體，在步驟(1)中，摩擦面 1與環體2之間設有緩滲層3，所述的緩滲層3為膨脹石墨紙或硫酸紙(本實施例為膨脹石 墨紙)，使預制體在步驟(2)的化學氣相沉積增密中形成密度梯度；為保證坯體的強度，膨 脹石墨紙上設有孔。余同實施例3。實施例6 本實施例為制作有密度梯度的坯體，在步驟(2)中，當進行浸漬固化增密時，環體 2表面設有緩滲層3，所述的緩滲層3為膨脹石墨紙或硫酸紙(本實施例為硫酸紙)，使坯體 在步驟(2)的浸漬固化增密中有利于形成摩擦面1與環體2的密度梯度。余同實施例4。
權利要求
一種碳/碳復合材料密封環，其特征是所述的密封環由碳纖維經制坯—增密—機加工制成，密封環的表觀密度為1.2g/cm3～2.0g/cm3。
2. 一種如權利要求1所述碳/碳復合材料密封環的生產方法，其特征是包括以下步驟(1)制坯將由碳纖維制成的網胎和碳布根據所需要求，通過針刺使之疊層復合，制成 板狀或環狀預制體，所述預制體的表觀密度0. 3g/cm3 0. 7g/cm3 ；(2)增密將步驟(1)所得的預制體經化學氣相沉積增密，使預制體表觀密度達到 1. 2g/cm3 2. Og/cm3后，經石墨化處理，制成坯體；(3)機加工將步驟(2)所得碳/碳復合材料坯體機加工成所需形狀和尺寸的密封環 成品。
3.根據權利要求2所述碳/碳復合材料密封環的生產方法，其特征是在步驟(2)中，化 學氣相沉積增密后進行浸漬固化增密將坯體放入浸漬爐浸漬固化增密，使坯體表觀密度 達到1. 2g/cm3 2. Og/cm3，經石墨化處理，制成坯體。
4.根據權利要求1所述碳/碳復合材料密封環，其特征是密封環包括摩擦面(1)、環體 (2)，摩擦面(1)和環體(2)均由碳纖維經制坯一增密一機加工制成，密封環摩擦面(1)的 表觀密度為1. 5g/cm3 2. Og/cm3，環體(2)的表觀密度為1. 2g/cm3 1. 8g/cm3。
5.一種如權利要求4所述碳/碳復合材料密封環的生產方法，其特征是包括以下步驟(1)制坯將由碳纖維制成的網胎和碳布根據所需要求，通過針刺使之疊層復合，制成 板狀或環狀預制體，所述預制體中摩擦面(1)的表觀密度0. 5g/cm3 0. 7g/cm3，環體(2)的 表觀密度 0. 3g/cm3 0. 5g/cm3 ；(2)增密將步驟⑴所得的預制體經化學氣相沉積增密，使預制體中摩擦面⑴與環 體⑵的表觀密度分別達到1. 5g/cm3 2. Og/cm3、1. 2g/cm3 1. 8g/cm3后，經石墨化處理， 制成坯體；(3)機加工將步驟(2)所得碳/碳復合材料坯體機加工成所需形狀和尺寸的密封環成品。
6.根據權利要求5所述碳/碳復合材料密封環的生產方法，其特征是在步驟(1)中，摩 擦面(1)與環體(2)之間設有緩滲層(3)，所述的緩滲層(3)為膨脹石墨紙或硫酸紙，膨脹 石墨紙或硫酸紙上設有孔。
7.根據權利要求5所述碳/碳復合材料密封環的生產方法，其特征是在步驟(2)中， 化學氣相沉積增密后進行浸漬固化增密使摩擦面(1)與環體(2)的表觀密度分別達到 1. 5g/cm3 2. Og/cm3、1. 2g/cm3 1. 8g/cm3，經石墨化處理，制成坯體。
8.根據權利要求7所述碳/碳復合材料密封環的生產方法，其特征是在步驟(2)的浸 漬固化增密中，在環體(2)表面設有緩滲層(3)，所述的緩滲層(3)為膨脹石墨紙或硫酸紙。
9.根據權利要求2或5所述碳/碳復合材料密封環的生產方法，其特征是在步驟(1) 中，所述網胎的面密度為30g/m2 130g/m2，碳布的面密度為180g/m2 480g/m2，疊層復合 中，針刺深度為6mm 25mm ；針刺密度3次/cm2 10次/cm2 ；層密度為5層/cm 20層/ cm。
全文摘要
本發明公開了一種實現無油潤滑的密煉機用碳/碳復合材料密封環，所述的密封環由碳纖維經制坯—增密—機加工制成，密封環的表觀密度為1.2g/cm3～2.0g/cm3，其生產方法包括以下步驟將碳纖維經制坯—增密—機加工制成，本發明較好的實現了發明目的，由碳/碳復合材料制成的密封環自潤滑性能好，耐磨損，其耐腐蝕性能優良，保證了密煉機轉子的密封效果及設備的安全運行，此外，密封環的摩擦面與環體采用密度梯度設置，降低了碳/碳復合材料密封環的生產成本，提高了綜合性能。
文檔編號C04B35/83GK101954676SQ20101010973
公開日2011年1月26日 申請日期2010年2月8日 優先權日2010年2月8日
發明者廖寄喬, 王躍軍, 邰衛平, 黃伯云, 龔玉良 申請人:湖南金博復合材料科技有限公司