一種高性能復合碳纖維導流筒的制造方法與流程

本發明涉及高溫爐用導流筒制作技術領域，尤其涉及一種高性能的復合碳纖維導流筒的制造方法。

背景技術：

隨著科學技術的進步，軍事、國防、太陽能、半導體、熱處理等領域都在快速發展，這些領域的發展都涉及保溫材料的使用；尤其近幾年太陽能、半導體的飛速發展，對保溫材料的需求顯得更加突出，而且對保溫材料的要求越來越高，不僅要求節能降耗，并且要求抗氧化性能高，這些要求也不斷促進著保溫材料領域的快速發展。

曾經在國內高溫真空爐上普遍使用的碳纖維保溫材料為軟碳氈(針刺氈)，軟碳氈作為隔熱保溫材料使用時存在強度低、易變形、易粉化、隔熱效果差及拆卸、安裝費時費力等缺點。新開發的碳纖維硬氈隔熱保溫材料可以克服軟碳氈的上述缺點，因此作為晶體爐、陶瓷燒結爐、氣相沉積爐等高溫爐用隔熱保溫材料得到日益廣泛地使用。

目前，國內使用的碳纖維硬氈主要采用pan基軟碳氈浸漬模壓的成型工藝。浸漬模壓工藝制作碳纖維硬氈存在能耗高，碳纖維硬氈層間強度低、易開裂，壽命低，粘結劑含量高，抗氧化性能差等缺點。

技術實現要素：

本發明提供了一種高性能復合碳纖維導流筒的制造方法，所制成的復合碳纖維導流筒具有隔熱性能好、抗氧化性好、熱容量低、強度高的特性，且制作工藝簡單，成本低，成品形狀及尺寸可控，密度可調；成品不易開裂，自支撐性好，使用壽命長；經表面處理后還可具有優良的抗氧化性能，并進一步提高使用壽命。

為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案實現：

一種高性能復合碳纖維導流筒的制造方法，包括如下步驟：

1)制備短切碳纖維；將碳纖維短切，得到平均長度為1～80mm的短切碳纖維；

2)制備磨碎碳纖維；將碳纖維磨碎，得到平均長度為100～800μm的磨碎碳纖維；

3)將短切碳纖維與磨碎碳纖維按照10～90﹕90～10的重量份比例，采用旋風分離器充分混合均勻，得到混合碳纖維；

4)將混合碳纖維與有機粘結劑、溶劑按100﹕20～230﹕3～920的重量份比例混合，得到碳纖維混合液；將碳纖維混合液放入網袋中，經網孔孔徑為1～50μm的網袋初濾后，再采用50～60℃的熱空氣向網袋內直吹10～30min，使碳纖維混合液中的溶劑完全揮發，得到表面包覆有機粘結劑的復合碳纖維；

5)將表面包覆有機粘結劑的復合碳纖維與水、分散劑按照0.3～6﹕100﹕0.1～2的重量份比例充分混合，形成均勻的碳纖維混合漿料；

6)將碳纖維混合漿料采用真空抽吸成型；將真空抽吸所用的導流筒成型模具浸入成型池中，導流筒成型模具由套裝在一起的內模具、外模具組成，內、外模具均為圓錐筒形結構；其中內模具由篩板制成，其外表面固定有篩網，篩網的孔徑為30～200μm，外模具為網格狀結構，網格孔的單邊或徑向尺寸為30～100mm；

所述導流筒成型模具以軸線呈豎直狀態放置在成型池內，其上端設有定位臺階用于浸入成型池時起定位作用；

所述內模具、外模具之間形成真空成型室，且真空成型室具有與復合碳纖維導流筒相配合的形狀和尺寸；抽吸管沿內模具縱向中心通長設置；在抽吸管的作用下，碳纖維混合漿料在真空成型室內按規律排列成型，制成復合碳纖維導流筒預制品；

7)將復合碳纖維導流筒預制品連同導流筒成型模具一起從成型池中取出，采用100～240℃的熱蒸汽或熱空氣加熱2～5小時，使復合碳纖維導流筒預制品脫水并完成不熔化、不溶化處理；

8)經脫水及不熔化、不溶化處理后的復合碳纖維導流筒預制品脫模，然后放入真空爐中或在惰性氣氛下碳化，碳化溫度為800～1800℃；也可根據使用要求進行石墨化處理，石墨化溫度為1800～2500℃；經碳化或石墨化處理后即得到高性能的復合碳纖維導流筒；

9)所制得的復合碳纖維導流筒的密度為0.1～0.35g/cm³，導熱系數小于0.35w/m·k；

10)根據需要可選擇地對復合碳纖維導流筒進行表面處理；以增加其抗氣流沖刷及抗氧化性能，提高其使用壽命；表面處理的具體步驟為：

a.對復合碳纖維導流筒經機械加工進行表面磨光；

b.在復合碳纖維導流筒的內/外或內、外表面涂刷粘結劑層,根據需要可進一步在粘結劑層外粘貼防護層，防護層為柔性石墨紙/碳纖維布、碳布或石墨薄板，也可以不粘貼防護層；

c.對經b步驟處理后的復合碳纖維導流筒進行固化處理，再進行碳化/石墨化處理，得到經表面處理的復合碳纖維導流筒。

所述制備短切碳纖維或磨碎碳纖維時所用的碳纖維為瀝青基碳纖維、黏膠基碳纖維、pan基碳纖維中的一種或幾種，優選短切瀝青基碳纖維，選用一種以上碳纖維時按任意比例混合。

所述網袋由無紡布、人造棉、聚丙烯、特氟龍或聚酯材料制成，網袋的孔徑為1～50μm，優選5～30μm。

所述外模具的網格孔形狀為三角形、圓形、正方形、矩形、菱形、規則多邊形或不規則多邊形中的一種。

所述有機粘結劑選自酚醛樹脂、環氧樹脂、呋喃樹脂、脲醛樹脂、乙烯基酯樹脂、聚酰胺、丙烯酸樹脂、聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯共聚物、聚苯乙烯、單糖、多糖、瀝青、焦油中的一種或一種以上任意混合。

所述溶劑選自甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、乙醚、糠醇、糠醛、丙酮、苯、甲苯、呋喃甲醇、呋喃甲醛中的一種或一種以上任意混合。

所述分散劑選自甲基纖維素、羧甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素、羥乙基甲基纖維素、羥甲基纖維素、乙基纖維素、乙基纖維素醚、甲基乙基纖維素、羥丙基乙基纖維素、羥乙基乙基纖維素、羥甲基乙基纖維素、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮醛、淀粉、改性淀粉中的一種或一種以上任意混合。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1)可制造出較高密度、低熱導率及高強度的復合碳纖維導流筒，并且成品具有優良的抗裂性能；

本發明所采用的短切碳纖維不僅能夠增加復合碳纖維導流筒的強度，而且能夠增加其的韌性，使其能夠抗沖擊，從而使其具有優良的抗裂性能；所采用的磨碎碳纖維不僅可以起到適當調整復合碳纖維導流筒密度的作用，還可以增加成品中碳纖維的含量；而碳纖維的含量不僅能影響復合碳纖維導流筒的導熱系數，還會影響其抗氧化性能；碳纖維含量越多排列越好，復合碳纖維導流筒的導熱系數越小；碳纖維含量越多，其抗氧化性越好；

本發明通過改變有機粘結劑、短切碳纖維與磨碎碳纖維的混合比例，調整真空抽吸成型工藝中的真空度，可以調整復合碳纖維導流筒的密度；所制成的復合碳纖維導流筒的密度為0.1～0.35g/cm³，導熱系數低于0.35w/m·k；

2)本發明的生產成本低，工藝簡單，穩定性高，操作方便；

本發明采用熱蒸汽或熱空氣對復合碳纖維導流筒預制品進行脫水及不熔化、不溶化處理，能夠大大提高生產效率，降低生產成本，節約能耗；采用本發明所述方法進行脫水及不熔化、不溶化處理只需2～5小時即可完成，而采用常規的烘箱或者加熱爐進行不熔化、不溶化處理需要80～120小時才能完成，因此本發明的效率提高了幾十倍；而且該操作環節的能耗也從單耗11元/公斤降至3元/公斤以下，節能降耗效果明顯；

3)本發明所制成的復合碳纖維導流筒具有良好的隔熱效果；

本發明所述復合碳纖維導流筒預制品中，碳纖維排列方向符合二維排列，并且與熱流方向垂直，是隔熱的最佳方向；產品不易開裂，自支撐性好，使用壽命長；尤其在制作大尺寸產品時，工藝上更具有優勢；

4)本發明采用內、外模具配合，經真空抽吸可以一次定型產品的形狀及尺寸，成品只需稍經加工即可得到定尺產品，材料利用率可以達到90％以上；而采用普通模具成型的產品尺寸不能精確控制，表面加工量大，產品利用率最多能達到75～80％；因此本發明大大提高了材料的利用率，減少了廢料的產生，從而大幅度降低了生產成本；

5)根據使用要求，可以在所制得復合碳纖維導流筒的基礎上對其做進一步的表面處理，可以防止高溫爐內氣體與復合碳纖維導流筒直接接觸，提高其抗氣流沖刷的能力，使其具有優良的抗氧化性能，并進一步提高復合碳纖維導流筒的使用壽命。

附圖說明

圖1是本發明所述真空抽吸成型的工藝簡圖。

圖2是本發明所述真空抽吸成型時所用導流筒成型模具的結構示意圖；

圖3是圖2中的橫截面示意圖。

圖4是本發明所述導流筒成型模具的外模具的結構示意圖(以菱形網格為例)。

圖5是本發明所述復合碳纖維導流筒內表面經表面處理后的結構示意圖。

圖6是本發明所述復合碳纖維導流筒內、外表面經表面處理后的結構示意圖。

圖中：1.成型池2.導流筒成型模具3.真空罐4.水環真空泵5.抽吸管6.內模具7.復合碳纖維導流筒預制品8.外模具9.復合碳纖維導流筒10.粘接劑層11.防護層12.成型小車

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步說明：

本發明所述一種高性能復合碳纖維導流筒的制造方法，包括如下步驟：

1)制備短切碳纖維；將碳纖維短切，得到平均長度為1～80mm的短切碳纖維；

2)制備磨碎碳纖維；將碳纖維磨碎，得到平均長度為100～800μm的磨碎碳纖維；

3)將短切碳纖維與磨碎碳纖維按照10～90﹕90～10的重量份比例，采用旋風分離器充分混合均勻，得到混合碳纖維；

4)將混合碳纖維與有機粘結劑、溶劑按100﹕20～230﹕3～920的重量份比例混合，得到碳纖維混合液；將碳纖維混合液放入網袋中，經網孔孔徑為1～50μm的網袋初濾后，再采用50～60℃的熱空氣向網袋內直吹10～30min，使碳纖維混合液中的溶劑完全揮發，得到表面包覆有機粘結劑的復合碳纖維；

5)將表面包覆有機粘結劑的復合碳纖維與水、分散劑按照0.3～6﹕100﹕0.1～2的重量份比例充分混合，形成均勻的碳纖維混合漿料；

6)將碳纖維混合漿料采用真空抽吸成型；如圖1所示，將真空抽吸所用的導流筒成型模具2浸入成型池1中，如圖2、圖3所示，導流筒成型模具2由套裝在一起的內模具6、外模具8組成，內、外模具均為圓錐筒形結構；其中內模具由篩板制成，其外表面固定有篩網，篩網的孔徑為30～200μm，外模具為網格狀結構，網格孔的單邊或徑向尺寸為30～100mm；(如圖4所示)

所述導流筒成型模具2以軸線呈豎直狀態放置在成型池1內，其上端設有定位臺階用于浸入成型池1時起定位作用；

所述內模具、外模具之間形成真空成型室，且真空成型室具有與復合碳纖維導流筒相配合的形狀和尺寸；抽吸管5沿內模具6縱向中心通長設置；在抽吸管5的作用下，碳纖維混合漿料在真空成型室內按規律排列成型，制成復合碳纖維導流筒預制品7；

7)將復合碳纖維導流筒預制品7連同導流筒成型模具2一起從成型池1中取出，采用100～240℃的熱蒸汽或熱空氣加熱2～5小時，使復合碳纖維導流筒預制品7脫水并完成不熔化、不溶化處理；

8)經脫水及不熔化、不溶化處理后的復合碳纖維導流筒預制品7脫模，然后放入真空爐中或在惰性氣氛下碳化，碳化溫度為800～1800℃；也可根據使用要求進行石墨化處理，石墨化溫度為1800～2500℃；經碳化或石墨化處理后即得到高性能的復合碳纖維導流筒9；

9)所制得的復合碳纖維導流筒9的密度為0.1～0.35g/cm³，導熱系數小于0.35w/m·k；

10)根據需要可選擇地對復合碳纖維導流筒9進行表面處理；以增加其抗氣流沖刷及抗氧化性能，提高其使用壽命；表面處理的具體步驟為：

a.對復合碳纖維導流筒9經機械加工進行表面磨光；

b.如圖5、圖6所示，在復合碳纖維導流筒9的內/外或內、外表面涂刷粘結劑層10,根據需要可進一步在粘結劑層10外粘貼防護層11，防護層11為柔性石墨紙/碳纖維布、碳布或石墨薄板，也可以不粘貼防護層11；

c.對經b步驟處理后的復合碳纖維導流筒進行固化處理，再進行碳化/石墨化處理，得到經表面處理的復合碳纖維導流筒。

所述制備短切碳纖維或磨碎碳纖維時所用的碳纖維為瀝青基碳纖維、黏膠基碳纖維、pan基碳纖維中的一種或幾種，優選短切瀝青基碳纖維，選用一種以上碳纖維時按任意比例混合。

所述網袋由無紡布、人造棉、聚丙烯、特氟龍或聚酯材料制成，網袋的孔徑為1～50μm，優選5～30μm。

所述外模具的網格孔形狀為三角形、圓形、正方形、矩形、菱形、規則多邊形或不規則多邊形中的一種。

所述有機粘結劑選自酚醛樹脂、環氧樹脂、呋喃樹脂、脲醛樹脂、乙烯基酯樹脂、聚酰胺、丙烯酸樹脂、聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯共聚物、聚苯乙烯、單糖、多糖、瀝青、焦油中的一種或一種以上任意混合。

所述溶劑選自甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、乙醚、糠醇、糠醛、丙酮、苯、甲苯、呋喃甲醇、呋喃甲醛中的一種或一種以上任意混合。

所述分散劑選自甲基纖維素、羧甲基纖維素、羥丙基甲基纖維素、羥乙基甲基纖維素、羥甲基纖維素、乙基纖維素、乙基纖維素醚、甲基乙基纖維素、羥丙基乙基纖維素、羥乙基乙基纖維素、羥甲基乙基纖維素、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮醛、淀粉、改性淀粉中的一種或一種以上任意混合。

以下實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。下述實施例中所用方法和材料如無特別說明均為常規方法和材料。

【實施例1】

本實施例中，高性能的復合碳纖維導流筒的制造方法如下：

1)制備短切碳纖維；將瀝青基碳纖維短切，得到平均長度為40mm的短切碳纖維；

2)制備磨碎碳纖維；將瀝青基碳纖維磨碎，得到平均長度為100μm的磨碎碳纖維；

3)將短切碳纖維與磨碎碳纖維按照60：40的重量份比例，采用旋風分離器充分混合均勻，得到混合碳纖維；

4)將混合碳纖維與有機粘結劑酚醛樹脂、溶劑乙醇按100：30：70的重量份比例混合，得到碳纖維混合液；將碳纖維混合液放入網袋中，經網孔孔徑為30μm的網袋初濾后，再采用50℃的熱空氣向網袋內直吹30min，使碳纖維混合液中的溶劑完全揮發，得到表面包覆有機粘結劑的復合碳纖維；

5)將表面包覆有機粘結劑的復合碳纖維與水、甲基纖維素按照3﹕100﹕1的重量份比例充分混合，形成均勻的碳纖維混合漿料；

6)將碳纖維混合漿料采用真空抽吸成型；將真空抽吸所用的導流筒成型模具2浸入成型池1中，成型池1設置在成型小車12上，方便完成型完畢后物料的運輸；導流筒成型模具2由套裝在一起的內模具6、外模具8組成，內模具6由篩板制成，其外表面固定有篩網，篩網的孔徑為50μm，外模具8為網格狀結構，網格孔的單邊或徑向尺寸為60mm；

所述導流筒成型模具2以軸線呈豎直狀態放置在成型池1內，其上端設有定位臺階用于浸入成型池1時起定位作用。

所述內模具6和外模具8均為圓錐筒形結構，內、外模具6、8的兩端分別貼合在一起，兩者之間形成的環形空間即真空成型室，真空成型室徑向的單側截面近似于三角形；真空成型室具有與復合碳纖維導流筒相配合的形狀和尺寸；抽吸管5沿內模具6縱向中心通長設置；抽吸管5上密布有抽吸孔，抽吸管5通過連接軟管連接真空罐3，真空罐3再連接水環真空泵4形成真空抽吸裝置；開啟真空抽吸裝置后，在抽吸管5的作用下，碳纖維混合漿料在真空成型室內按規律排列成型，制成復合碳纖維導流筒預制品7；

7)將復合碳纖維導流筒預制品7連同導流筒成型模具2一起從成型池1中取出，采用150℃的熱蒸汽或熱空氣加熱3小時，使復合碳纖維導流筒預制品7脫水并完成不熔化、不溶化處理；

8)經脫水及不熔化、不溶化處理后的復合碳纖維導流筒預制品7脫模，然后放入真空爐中或在惰性氣氛下碳化，碳化溫度為1200℃；然后進行石墨化處理，石墨化溫度為2100℃；經碳化或石墨化處理后即得到高性能的復合碳纖維導流筒9；

9)所制得的復合碳纖維導流筒9的密度為0.16g/cm³，導熱系數0.22w/m·k；碳含量99.6％，灰分0.01％；(試樣厚度為45mm，在氮氣保護下，1500℃時的檢測數據)。

【實施例2】

為增加復合碳纖維導流筒9的抗氣流沖刷及抗氧化性能，進一步提高其使用壽命；對【實施例1】制得的復合碳纖維導流筒9進行表面處理，表面處理的具體步驟如下：

1)將復合碳纖維導流筒9經機械加工進行表面磨光處理，使表面平整；

2)在表面經磨光處理后的復合碳纖維導流筒9內、外表面分別涂刷3～6遍粘結劑，形成粘結劑層10，粘結劑采用常規使用的粘接劑即可；

3)將涂刷粘結劑層10的復合碳纖維導流筒9放入加熱爐中，以5℃/min的升溫速率升溫到240℃，在此溫度下恒溫1h，固化粘結劑層10；然后再置于1700℃下，在惰性氣氛下進行碳化處理，制成帶涂層的復合碳纖維導流筒。

本實施例所制得的帶涂層的復合碳纖維導流筒在單晶硅拉伸爐上使用100次，沒有出現涂層剝離、開裂、起泡等現象，涂層里面的復合碳纖維導流筒無腐蝕現象。

【實施例3】

本實施例中，高性能的復合碳纖維導流筒的制造方法如下：

1)制備短切碳纖維；將瀝青基碳纖維短切，得到平均長度為80mm的短切碳纖維；

2)制備磨碎碳纖維；將瀝青基碳纖維磨碎，得到平均長度為180μm的磨碎碳纖維；

3)將短切碳纖維與磨碎碳纖維按照50：50的重量份比例，采用旋風分離器充分混合均勻，得到混合碳纖維；

4)將混合碳纖維與有機粘結劑酚醛樹脂、溶劑乙醇按100：55：75的重量份比例混合，得到碳纖維混合液；將碳纖維混合液放入網袋中，經網孔孔徑為30μm的網袋初濾后，再采用60℃的熱空氣向網袋內直吹30min，使碳纖維混合液中的溶劑完全揮發，得到表面包覆有機粘結劑的復合碳纖維；

5)將表面包覆有機粘結劑的復合碳纖維與水、甲基纖維素按照6﹕100﹕1的重量份比例充分混合，形成均勻的碳纖維混合漿料；

6)將碳纖維混合漿料采用真空抽吸成型；將真空抽吸所用的導流筒成型模具2浸入成型池1中；導流筒成型模具2由套裝在一起的內模具6、外模具8組成，內模具6由篩板制成，其外表面固定有篩網，篩網的孔徑為70μm，外模具8為網格狀結構，網格孔的單邊或徑向尺寸為100mm；

在抽吸管5的作用下，碳纖維混合漿料在真空成型室內按規律排列成型，制成復合碳纖維導流筒預制品7；

7)將復合碳纖維導流筒預制品7連同導流筒成型模具2一起從成型池1中取出，采用180℃的熱蒸汽或熱空氣加熱2.5小時，使復合碳纖維導流筒預制品7脫水并完成不熔化、不溶化處理；

8)經脫水及不熔化、不溶化處理后的復合碳纖維導流筒預制品7脫模，然后放入真空爐中或在惰性氣氛下碳化，碳化溫度為1500℃；然后進行石墨化處理，石墨化溫度為2000℃；經碳化或石墨化處理后即得到高性能的復合碳纖維導流筒9；

9)所制得的復合碳纖維導流筒9的密度為0.19g/cm³，導熱系數0.20w/m·k；碳含量99.7％，灰分0.01％；(試樣厚度為45mm，在氮氣保護下，1500℃時的檢測數據)。

為增加復合碳纖維導流筒9的抗氣流沖刷及抗氧化性能，進一步提高其使用壽命；對所制得的復合碳纖維導流筒9進一步進行表面處理，表面處理的具體步驟如下：

1)將復合碳纖維導流筒9經機械加工進行表面磨光處理，使表面平整；

2)在表面經磨光處理后的復合碳纖維導流筒9內、外表面分別涂刷3～6遍粘結劑，形成粘結劑層10，粘結劑采用常規使用的粘接劑即可；在粘結劑層10外粘貼防護層11，防護層11為柔性石墨紙；

3)將涂刷粘結劑層10并粘貼防護層11的復合碳纖維導流筒9放入加熱爐中，以8℃/min的升溫速率升溫到300℃，在此溫度下恒溫1h，固化粘結劑層10；然后再置于1800℃下，在惰性氣氛下進行碳化處理，制成帶防護層的復合碳纖維導流筒。

本實施例所制得的帶防護層的復合碳纖維導流筒在單晶硅拉伸爐上使用100次，沒有出現防護層剝離、開裂、起泡等現象，防護層里面的復合碳纖維導流筒無腐蝕現象。

經以上實施例可以證明，帶涂層或帶防護層的復合碳纖維導流筒可以防止爐內雜質氣體直接與復合碳纖維導流筒表面接觸，防止其腐蝕并抗氣流沖刷，使具有優良的抗氧化與抗腐蝕性能，能夠顯著提高復合碳纖維導流筒的使用壽命。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。