[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

说明书

本发明公开一种石墨纤维/碳化硅复合材料激光原位成型装置及方法，装置包括碳纤维放卷辊、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。本发明采用硅胶混合石墨粉和碳化硼粉包覆碳纤维，包覆剂量可控且包覆均匀，激光与碳纤维等材料相互作用可实现瞬间升温，热处理时间大幅缩短，石墨纤维/碳化硅复合材料成型效率高，且直接成型碳化硅基复合材料制品，实现了石墨纤维/碳化硅复合材料的成型及应用的一体化，扩大了制品性能调控空间；在硅胶中混入碳化硼，对碳化硅的生成起到促进作用，而且对碳纤维高温条件下的石墨化进程起到促进作用。

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料成型领域，尤其是涉及一种石墨纤维/碳化硅复合材料激光原位成型装置及方法。

背景技术

在陶瓷基复合材料领域中，碳化硅基体以其优异的高温性能、极好的抗蠕变性能和低的热膨胀系数成为热结构陶瓷基复合材料的主要候选陶瓷基体材料之一。目前，以碳纤维/碳化硅陶瓷基复合材料为代表的纤维/陶瓷基复合材料充分利用了碳纤维优异的高温力学性能和SiC陶瓷基体的高温抗氧化性能，在热防护领域有着重要的应用，在战略武器和空间技术等方面具有广泛的应用前景，被认为是目前最有发展前途的高温热结构材料。

工业生产所采用的碳纤维/碳化硅复合材料成型方法包括化学气相渗透法、先驱体转化法、浆料浸渍烧结法、液相硅浸渍法等，这些成型工艺生产周期长，需添加复杂的碳源材料和硅源材料，而且，目前通用的制备方法都是采用电加热的间接传热，长周期高温加热方法能耗巨大，生产效率特别低，导致材料成本始终高居不下；此外，受碳化硅2600℃分解温度的限制，对热处理温度控制使得碳纤维石墨化效果差，导致制备的复合材料高模量性能发挥欠佳。综上，亟需一种低能耗可控制备石墨纤维/碳化硅复合材料的成型方法。

发明内容

为解决现有的石墨纤维/碳化硅复合材料制造过程中生产周期长、高能耗、可控性差且质量低的技术难题，提出一种基于激光诱导石墨化纤维原位生长碳化硅制备石墨纤维/碳化硅复合材料的方法。

本发明提出一种石墨纤维/碳化硅复合材料激光原位成型装置，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，在五辊牵伸机的传动下碳纤维绕过五个辊，然后进入包覆机头，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。

本发明一种石墨纤维/碳化硅复合材料激光原位成型装置，在包覆机头出口与反应炉之间增设烘干设备，用于碳纤维外涂层的固化。

本发明一种石墨纤维/碳化硅复合材料激光原位成型装置，可以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，在负离子存在的环境下，高温条件下碳纤维与氧气较难发生氧化还原反应而不会被氧化，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。

本发明一种石墨纤维/碳化硅复合材料激光原位成型装置，可以进一步的不使用高温反应炉，将反应炉更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。