[发明专利]一种石墨纤维/碳化硅复合材料激光原位成型装置及方法

权利要求书

1.一种石墨纤维/碳化硅复合材料激光原位成型装置，其特征在于：包括碳纤维放卷辊、五辊牵伸机、包覆机头、挤出机、半导体阵列激光器、石英玻璃、反应炉、磁流体密封、气体探测器、抽气泵、氩气净化机、氩气瓶、阀门、PC机和纤维缠绕装置，成品碳纤维缠绕于碳纤维放卷辊，碳纤维放卷辊在旋转下使碳纤维释放，然后碳纤维经过五辊牵伸机进入包覆机头，挤出机向包覆机头内挤入预包覆物料，预包覆物料为包括硅胶、鳞片石墨粉和碳化硼粉的混合物，预包覆物料经过转动螺杆的塑化均化作用进入包覆机头内，碳纤维在包覆机头内走丝过程中包覆了混合物料，包覆了混合物料的碳纤维进入反应炉，半导体阵列激光器固定于反应炉的中间部位，激光透过石英玻璃可以照射进入反应炉内部，在反应炉的出丝口处安装有磁流体密封，隔断反应炉内部氩气的泄露，在磁流体密封的出丝口处设置有纤维缠绕装置，对石墨纤维/碳化硅复合材料进行缠绕或者编织成型制品；气体探测器、抽气泵、氩气净化机、氩气瓶、阀门、PC机组成气体监测输送氩气系统，向反应炉内通入氩气并保持氩气纯度。

2.根据权利要求1所述的一种石墨纤维/碳化硅复合材料激光原位成型装置，其特征在于：在包覆机头出口与反应炉之间增设烘干设备。

3.根据权利要求1所述的一种石墨纤维/碳化硅复合材料激光原位成型装置，其特征在于：将反应炉内的氩气氛围换为负离子空间，负离子发生器向反应炉内部充入负离子物质，气体除杂器采用导气管接通反应炉用于高温反应时杂质气体的去除，防止杂质气体与碳纤维反应使碳纤维受损伤。

4.根据权利要求1所述的一种石墨纤维/碳化硅复合材料激光原位成型装置，其特征在于：反应炉替换为两个负电压施加辊，负电压施加辊连接负电压发生器，碳纤维包覆完物料后与负电压施加辊接触，半导体阵列激光器固定于两个负电压施加辊中间部位的上方，半导体阵列激光器发出的激光对受负电压作用的纤维部位进行辐照。

5.一种石墨纤维/碳化硅复合材料激光原位成型方法，其特征在于：第一步，配置硅胶、鳞片石墨粉和碳化硼粉作为预包覆物料，混合均匀后放入挤出机，将碳纤维卷安置在碳纤维放卷辊上，以此引导碳纤维丝束绕过五辊牵伸机的五个辊，穿过包覆机头，进入反应炉，穿过磁流体密封转动释放纤维丝束，最后固定在纤维缠绕装置上；第二步，启动气体监测输送氩气系统，向反应炉内通入氩气；第三步，碳纤维放卷辊传动释放碳纤维丝束，调控五辊牵伸机的转速与纤维缠绕装置的转速；第四步，启动挤出机并将配好的预包覆物料投入到挤出机内，预包覆物料经过转动螺杆的塑化均化作用进入包覆机头内，碳纤维在包覆机头内走丝过程中包覆上硅胶、鳞片石墨粉和碳化硼粉的混合物料，然后进入反应炉内；第五步，启动半导体阵列激光器，调整半导体阵列激光器的功率输出及与纤维丝束的距离控制纤维所处的温度场分布，碳纤维表面的硅胶、鳞片石墨粉和碳化硼粉的混合物料在设定的温度的作用下反应生成碳化硅包覆在碳纤维上，碳纤维在该温度场及碳化硼的催化作用下实现石墨化结构转变；第六步，经过反应处理的纤维制备成石墨纤维/碳化硅复合材料，进入纤维缠绕装置进行缠绕或者编织成型制品。

6.根据权利要求5所述的一种石墨纤维/碳化硅复合材料激光原位成型方法，其特征在于：配置硅胶、鳞片石墨粉和碳化硼粉作为预包覆物料，质量比硅胶13-15:鳞片石墨粉12:碳化硼粉1。

7.根据权利要求5所述的一种石墨纤维/碳化硅复合材料激光原位成型方法，其特征在于：半导体阵列激光器的输出功率为150W-200W，碳纤维沿走丝方向产生矩形光斑，矩形光斑宽2-3mm，矩形光斑长25-30mm。