[发明专利]碳化硅纤维高频热反应装置

说明书

本发明属于制备纤维状非金属材料的专用设备，具体地说它是应用气相沉积法生产碳化硅纤维的热反应装置。

碳化硅纤维是用于制备高比强度高比刚度、及良好高温性能复合材料的基本组元。特别是采用碳纤维做芯材的碳化硅纤维具有不反射电磁波的特性，因而广泛地应用在航空、航天及多种军事领域。因而引起世界各国的高度重视。美国、西德等国从七十年代就开始研制碳化硅纤维，其生产碳化硅纤维的主要工艺原理是采用气相沉积法。所谓气相沉积法即采用钨丝或碳纤维作为载体，将载体在充满氯硅烷一类气体的反应器中加温到1100～1400℃，使气体分解并以sic的形态沉积在载体上从而形成碳丝或钨丝为芯的碳化硅纤维。由于载体丝的直径均在10μm左右，所以形成的纤维可以说基本上是碳化硅纤维。可见在整个工艺过程中基本的问题是解决对载体丝均匀加热到1100～1400℃，并在连续收放丝的过程中，保持这一工艺条件的稳定性。对丝材加热到1200℃左右可以有很多方法。但是在氯硅烷气体参加反应的条件下，我们仅需要丝材本身具有这个反应温度，如果同时还存有其它热载体，那么就会有大量的碳化硅沉积其表面，其有效转换率太低。换句话说就是浪费太大了。所以，丝材自身直接加热是唯一可以解决的方法。目前，这种装置为美国、西德少数几个国家所垄断。从目前所能获取的情报资料中了解到，气相沉积法生产sic所采用的装置基本上采用直流加热法，即在载体的上直接通上直流电，使其本身发热到反应温度。其对应的设备即为直流法热反应器。这种制备碳化硅纤维的装置中包括一个可导入反应气体的石英热反应器，呈细长管状，载体丝从中间穿过。石英热反应器两端设置有接触电极，从接触电极引出导线接至直流电源。为保证连续作业和成材质量，在石英热反应器两端设置收放丝机构。工作状态时，给两端接触电极以恒定的电压，载体即升温到工作温度。从石英热反应器通气口导入的氯硅烷气体在热载体周围分解并在载体上形成sic沉积。反应后气体从排气口抽出。调整好工艺参数，随着收、放丝轮的运转，成品丝即可连续生成。目前美国、西德均以此装置生产出了sic的商品。然而，在这种生产装置中为了使石英热反应器中载体丝温度的恒定，首先要保证接触电极与丝材的良好接触，以确保反应区内丝材的电阻值不波动。为实现以上目的不得不采用水银电极。水银在常温下成液态，可以与运动中的丝材随时保持良好的接触，并实现两端面的密封。由于采用水银密封电极，且工作环境温度较高因而有大量水银蒸气露出造成公害，为解决这一问题须将整个装置多道密封，因而造价很高，且应用受到局限。更严重的是水银分子微量渗入sic结晶中，造成缺限，极大地降低了丝材的质量。此外，当制备大直径纤维时，由于沉积速度较快，纤维出口与入口处纤维电阻值有较大差异，从而使出、入口温差达200～300℃。从而使成品丝材的均方差偏高，影响到丝材物理性能的一致性。射频法生产sic目前国外正处在研制阶段，由于国外技术的严格保密，目前还查不到可比的文献。

本发明的目的，即是提供一种射频法生产碳化硅纤维的装置，从而实现无接触性加热并使反应区域内温度均匀，以消除大直径碳化硅纤维生产中水银污染和提高线材质量。

本发明的关键在于用高频感应法代替了直流电阻法去完成对载体丝的加热。其基本构思是要在石英热反应器的轴线上形成一个匀强轴向电磁场。当丝材载体在收、放丝机构牵引下匀速通过时被电磁场均匀加热达到反应温度，从则实现高质量的气相沉积过程。为实现以上构思，高频加热系统结构包括三部分，射频发生器，射频耦合器和同轴电缆传输线。射频耦合器可在高频电流的激励下生成一个匀强轴向电磁场，它的主体耦合腔套装在石英热反应器上，并保证与反应器的轴线相一致。由射频发生器产生的高频电流，通过同轴转输电缆传至射频耦合器，从而形成一个完整的高频加热系统，实现非接触式加热的目的。

下面结合附图进一步说明本发明的目的是如何实现的：

附图1  本装置的结构示意图

附图2  为射频发生器的结构框图

附图3  为定向耦合器的电原理图

附图4  为轴向匀强电磁场形成示意图