[发明专利]快速制备高性能碳陶复合材料的等离子沉积方法及设备

说明书

本发明公开一种快速制备高性能碳陶复合材料的等离子沉积方法及设备，将碳陶纤维预制体放入真空室中，碳陶纤维预制体与高压电源连接，碳陶纤维预制体外设感应线圈，通入真空室中的气体介质在真空高压下形成高温等离子体，其中带负电的分子基团在电场力作用下高速撞击碳陶纤维预制体进行沉积。该方法以等离子气源为介质，通过化学气相沉积来制备高性能碳陶复合材料，加工效率高、致密度高。等离子沉积设备结构简单，可对预制体快速致密化，设备能耗低，加工效率高。

技术领域

本发明涉及碳陶复合材料制备领域，具体涉及一种快速制备高性能碳陶复合材料的等离子沉积方法及设备。

背景技术

碳素材料具有低密度、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、优异的摩擦性能和抗热冲击性能以及尺寸稳定性高等优点，已广泛应用于航天、航空、光伏、粉末冶金、工业高温炉等领域，但其在温度高于350℃的有氧环境中发生氧化反应，导致材料的性能急剧下降，限制了其发展。氧化物、碳化物和硼化物等陶瓷材料机械强度和硬度高，抗氧化能力强、而耐热冲击性、可机械加工性及润滑性差，与碳素复合材料具有很强的互补性。碳陶复合材料基本保持了碳材料的优异性能，并继承了陶瓷材料的优点，具有耐高温，耐烧蚀，质轻等特点，在航空和轨道交通刹车盘材料、航天烧蚀隔热材料等领域有着巨大的应用价值。而目前制备高性能碳陶复合材料的方法主要有化学气相渗透(CVI)和浸渍裂解(PIP)方法。其中，CVI方法通过在真空炉内引入含有基体元素的气体介质，在近2000 ℃的高温作用下，气体介质在陶瓷（或碳）纤维预制体内渗透并裂开,碳、氮、硅等基体元素以共价键陶瓷的结构被保留，H、O等元素以气态形式逸出，该方法沉积效率低，大尺寸结构件容易导致芯部未浸渍而造成孔隙率高的缺陷，因此制造成本较高。PIP方法由于采用正压浸渍，反复多次裂解的方法提高碳陶复合材料的致密度，但浸渍-裂解过程次数较多，自动化度不完善，因此大大制约了制备效率。

发明内容

本发明的目的是一种高性能碳陶复合材料的制备方法及专用设备，该方法以等离子气源为介质，通过化学气相沉积来制备高性能碳陶复合材料，加工效率高、致密度高。

为了达到上述目的，本申请所采用的技术方案为：

快速制备高性能碳陶复合材料的等离子沉积方法，包括以下步骤：

（1）制备碳陶纤维预制体。

采用商用碳纤维制备碳陶纤维预制体。

（2）化学气相沉积：将步骤（1）得到的碳陶纤维预制体放入真空室中，碳陶纤维预制体与高压电源连接，碳陶纤维预制体外设感应线圈，通入真空室中的气体介质在真空高压下形成高温等离子体，其中带负电的分子基团在电场力作用下高速撞击碳陶纤维预制体进行沉积。

所述步骤（2）中气体介质包括甲烷CH₄、乙炔C₂H₂、丙酮C₃H₆O、四氯硅烷SiCl₄、氮气N₂中的一种或几种。

所述步骤（2）沉积时间5-20 h。

所述步骤（2）中高压电极对电压：1-30 kV，感应线圈频率：400Hz~120KHz,功率：10-30 kW。

所述步骤（2）中真空室真空度：6×10^-2-8×10^-3Pa。

所述步骤（2）中等离子体温度：80-500 ℃，碳陶纤维预制体加热温度：1000-2200℃。

本发明还还提供一种快速制备高性能碳陶复合材料的等离子沉积设备，该设备包括真空室，真空室通过真空管路与抽真空装置连接，真空室内设高压电极对、感应线圈及与高压电源连接的电极板，碳陶纤维预制体与电极板连接，碳陶纤维预制体位于感应线圈内，气体介质通过导气管导入高压电极对之间。