本发明专利技术涉及一种用于碳基复合材料热等静压装置，包括转筒室、铁磁性感应包覆金属套、环形交变感应线圈、控制器、离心动力组件和传感器系统单元，所述铁磁性感应包覆金属套置于所述转筒室的内部，所述环形交变感应线圈绕于所述转筒室的外侧，所述离心动力组件带动所述转筒室转动，所述离心动力组件包括驱动电机，所述驱动电机的电机轴从所述转筒室的下端穿入所述转筒室的内部，所述控制器与所述的转筒室通过总线连接，所述控制器与所述的传感器系统单元通过无线关联。所述的热等静压装置采用感应加热和离心加载的方式进行碳基复合材料的烧结和致密化，设备结构简单，无需高温高压密封容器，使用更加安全，设备制造成本和使用维护成本更低。护成本更低。护成本更低。
【技术实现步骤摘要】
一种用于碳基复合材料热等静压装置及复合材料制备方法
[0001]本专利技术涉及一种用于碳基复合材料热等静压装置及复合材料制备方法，属于碳基复合材料
技术介绍
[0002]碳纤维编织体增强的碳基复合材料由于具有耐高温、热膨胀小、高温强度好等特点，因此在热结构材料领域有着不可替代的优势，比如航空航天热烧蚀部件、热场结构材料多数是采用碳纤维编织体增强碳基复合材料。而制备碳纤维编织体复合材料主要通过两种方法来实现，化学气相渗透法(CVI)和热等静压法。化学气相渗透可以获得比较理想的复合材料致密度，但沉积效率较低，制备过程漫长，因此导致制造成本居高不下，交货周期拉长。而热等静压法由于采用高温、高压过程制备，因此致密化过程大大缩短，可以快速制备高致密度的碳纤维编织体复合材料，因此在航空航天领域逐步获得应用，是未来碳基复合材料制备技术的主流方向之一。
[0003]但目前热等静压设备主要通过石墨或电热金属材料作为发热体，给高压容器的密封带来了困难，对热屏蔽层要求比较高；此外，目前常规热等静压设备主要采用Ar或N2作为压力传递介质，通过高温使气体膨胀获得高温高压环境来致密化待烧结的复合材料，这对设备的密封和结构安全带来了巨大考验，该类型的高压容器设备一般需要年检和严谨的保养，因此设备的制造成本和使用维护成本较高。
技术实现思路
[0004]本专利技术针对现有技术存在的不足，提供一种用于碳基复合材料热等静压装置及复合材料制备方法，所述的热等静压装置采用感应加热和离心加载的方式进行碳基复合材料的烧结和致密化，设备结构更加简单，无需高温高压密封容器，因此设备使用更加安全，设备制造成本和使用维护成本更低。
[0005]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于碳基复合材料热等静压装置，所述的热等静压装置包括转筒室、铁磁性感应包覆金属套、环形交变感应线圈、控制器、离心动力组件和传感器系统单元，所述铁磁性感应包覆金属套置于所述转筒室的内部，所述环形交变感应线圈绕于所述转筒室的外侧，所述离心动力组件带动所述转筒室转动，所述离心动力组件包括驱动电机，所述驱动电机的电机轴从所述转筒室的下端穿入所述转筒室的内部，所述控制器与所述的转筒室通过总线连接，所述控制器与所述的传感器系统单元通过无线关联。
[0006]盛放复合材料的转筒室：用于放置待烧结致密化的碳纤维编织体和碳材料(比如，沥青或添加石墨粉的改性沥青)；转筒室可拆卸更换，可以用于制备不同尺寸的复合材料。
[0007]环形交变感应线圈：用于激励中频、高频电磁波对铁磁性感应包覆金属套进行无线感应加热。
[0008]控制器可以设置转筒室的运行速度rpm、环形交变感应线圈的功率、控制急停刹
车，控制器可以采集并处理转速、温度、压力信号，并显示到工控屏上；记录加热时间，加热曲线。
[0009]进一步的，所述的传感器系统单元包括角速度传感器、红外测温传感器和离心力传感器，所述的角速度传感器安装于所述转筒室的外部，所述红外测温传感器安装于所述转筒室的内部，所述离心力传感器安装于所述驱动电机的电机轴上，所述离心力传感器位于所述转筒室的内部。
[0010]角速度传感器用于监测转筒室的转速，红外测温传感器用于监测铁磁性感应包覆金属套的便面温度，离心力传感器用于监测复合材料获得的实际离心力，所述的传感器系统单元均为无线传输。
[0011]其中红外传感测试用到的理论为普朗克定律：
[0012]E
bλ
＝C1λ
‑5/(e
C2/λT
‑
1)，其中λ为波长(m)；T绝对温度(K)；e自然对数的底数；C1＝3.743
×
10
‑
16
(W
·
m2)；C2＝1.4387
×
10
‑2(K
·
m)
[0013]和维恩定律:
[0014]Tλ
max
＝C，其中C为常数(2.8976
×
10
‑3)
[0015]通过测量样品的表面红外波长λmax，计算出样品的实际温度。
[0016]进一步的，所述的铁磁性感应包覆金属套内部侧壁上固定有碳纤维编织体，所述的铁磁性感应包覆金属套内部堆积有沥青粉，所述铁磁性感应包覆金属套固定于所述转筒室的侧壁，所述碳纤维编织体层靠近转筒室的筒壁，沥青粉层靠近电机轴。
[0017]进一步的，所述的铁磁性感应包覆金属套厚度为0.03
‑
0.5mm。
[0018]进一步的，所述的铁磁性感应包覆金属套材质为铁镍合金、碳钢或钴基合金。
[0019]进一步的，，所述的热等静压装置包括工控屏，所述工控屏上显示控制器采集并处理的转速、温度、压力信号。
[0020]本专利技术还公开了采用所述的热等静压装置制备复合材料制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：
[0021]1)将碳纤维编织体置于铁磁性感应包覆金属套中，并将碳纤维编织体固定到所述铁磁性感应包覆金属套的内侧壁上；
[0022]2)将沥青研磨成200
‑
500目粉体，放入步骤1)中所述的铁磁性感应包覆金属套内，并将研磨后的沥青粉体均匀堆积到碳纤维编织体上方；
[0023]3)将铁磁性感应包覆金属套的开口密封，并抽真空；
[0024]4)将密封后的铁磁性感应包覆金属套对称、竖直的置于转筒内壁，并固定，其中碳纤维编织体层靠近转筒壁，沥青粉层靠近电机轴；
[0025]5)启动驱动电机带动转筒室转动，并控制环形交变感应线圈激励中频、高频电磁波对铁磁性感应包覆金属套进行无线感应加热，保温后，冷却并停止转筒室的转动，得到所述的复合材料。
[0026]优选的，步骤5)中，当转筒室的转速升至6500
‑
8800rpm，同时控制铁磁性感应包覆金属套温度120
‑
150℃，保温30
‑
70min；进而升温至450
‑
650℃，保温20
‑
30min；最后升温至1000
‑
1350℃，保温120
‑
150min；保温后停止加热，转筒室转速逐渐降至0后，取出所述的复合材料。
[0027]初始低温加热段，沥青软化具有较高流动性，在离心力的作用下向碳纤维编织体
侧运动并填充孔隙；中温加热段，沥青逐渐裂解，分解出气体，体积收缩，形成孔隙，并被新的粘流态沥青填充，由于材料密度不同，在离心力作用下受力大小不同，密度大的碳纤维和沥青材料距离贴近转筒壁面，逐渐形成致密结构；密度小的气体则在远离碳纤维编织侧，形成固相和气相的离心分离。最终高温加热段，沥青充分裂解，开始碳化并结晶，形成致密的沥青碳基复合材料。
[0028]优选的，所述的碳纤维编织体为针刺/层间缝合、2.5D或三维编织体。
[0029]优选的，步骤3)中，抽真空至铁磁性感本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于碳基复合材料热等静压装置，其特征在于，所述的热等静压装置包括转筒室(1)、铁磁性感应包覆金属套(2)、环形交变感应线圈(3)、控制器(4)、离心动力组件和传感器系统单元，所述铁磁性感应包覆金属套(2)置于所述转筒室(1)的内部，所述环形交变感应线圈(3)绕于所述转筒室(1)的外侧，所述离心动力组件带动所述转筒室(1)转动，所述离心动力组件包括驱动电机(5)，所述驱动电机(5)的电机轴(6)从所述转筒室(1)的下端穿入所述转筒室(1)的内部，所述控制器(4)与所述的转筒室(1)通过总线(7)连接，所述控制器(4)与所述的传感器系统单元通过无线关联。2.根据权利要求1所述的一种用于碳基复合材料热等静压装置，其特征在于，所述的传感器系统单元包括角速度传感器(8)、红外测温传感器(9)和离心力传感器(10)，所述的角速度传感器(8)安装于所述转筒室(1)的外部，所述红外测温传感器(9)安装于所述转筒室(1)的内部，所述离心力传感器(10)安装于所述驱动电机(5)的电机轴(6)上，所述离心力传感器(10)位于所述转筒室(1)的内部。3.根据权利要求1所述的一种用于碳基复合材料热等静压装置，其特征在于，所述的铁磁性感应包覆金属套(2)内部侧壁上固定有碳纤维编织体，所述的铁磁性感应包覆金属套(2)内部堆积有沥青粉，所述铁磁性感应包覆金属套(2)固定于所述转筒室(1)的侧壁，所述碳纤维编织体层靠近转筒室(1)的筒壁，沥青粉层靠近电机轴(6)。4.根据权利要求3所述的一种用于碳基复合材料热等静压装置，其特征在于，所述的铁磁性感应包覆金属套(2)厚度为0.03
‑
0.5mm。5.根据权利要求3所述的一种用于碳基复合材料热等静压装置，其特征在于，所述的铁磁性感应包覆金属套(2)材质为铁镍合金、碳钢或钴基合金。6.根据权利要求1所述的一种用于碳基复合材料热等静压装置，其特征在于，所述的热等静压装置包括工控屏，所述工控屏上显示控制器(4)采集...
【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，温广武，郝桓民，范丽君，
申请(专利权)人：山东理工大学烟台鲁航炭材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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