本發(fā)明具體涉及一種利用變徑變螺距感應(yīng)線(xiàn)圈實(shí)現(xiàn)溫度梯度的方法。

背景技術(shù)：

低成本快速致密碳/碳復(fù)合材料工藝通常采用感應(yīng)加熱與預(yù)制體緊密接觸晶化程度很高的石墨發(fā)熱體，石墨發(fā)熱體積蓄熱量，并將熱量傳遞給緊貼著的預(yù)成型體。這樣，首先受熱的是離石墨發(fā)熱體近的預(yù)成型體，然后熱量由高溫端向低溫端傳遞，形成徑向溫度梯度?，F(xiàn)有的碳/碳復(fù)合材料制備工藝中使用的感應(yīng)線(xiàn)圈如附圖1所示，感應(yīng)線(xiàn)圈環(huán)繞在石墨坩堝發(fā)熱體之外，線(xiàn)圈直徑由上至下保持不變，這樣只能在碳纖維預(yù)制體徑向形成較小溫度梯度，而在石墨加熱體軸向無(wú)法形成溫度梯度。這種加熱方式使得熱解碳的沉積容易集中在預(yù)制體表面進(jìn)行，導(dǎo)致預(yù)制體外部的孔隙結(jié)構(gòu)被堵死，形成硬殼，造成致密化困難，制備周期長(zhǎng)，能源消耗高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種利用變徑變螺距感應(yīng)線(xiàn)圈實(shí)現(xiàn)溫度梯度的方法，實(shí)現(xiàn)由下及上的順序沉積，可以解決預(yù)制體致密化困難，制備周期長(zhǎng)，浪費(fèi)電能的問(wèn)題，具有低成本快速致密碳/碳復(fù)合材料工藝中在預(yù)制體軸向和徑向形成溫度梯度的技術(shù)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種利用變徑變螺距感應(yīng)線(xiàn)圈實(shí)現(xiàn)溫度梯度的方法，采用變徑感應(yīng)線(xiàn)圈對(duì)石墨坩堝發(fā)熱體內(nèi)的碳纖維預(yù)制體進(jìn)行感應(yīng)加熱，所述變徑感應(yīng)線(xiàn)圈呈螺旋型，直徑從上往下依次變小，包括上端、下端及過(guò)渡段，上端和下端均為所需直徑的單匝，過(guò)渡段呈錐形，上端和下端及過(guò)渡段是由同一銅管無(wú)間斷繞制而成。

優(yōu)選地，包括如下步驟：

s1、將石墨坩堝發(fā)熱體置于變徑感應(yīng)線(xiàn)圈內(nèi)；

s2、將碳纖維預(yù)制體依次放入石墨坩堝發(fā)熱體內(nèi)的不同位置，進(jìn)行感應(yīng)加熱。

優(yōu)選地，所述過(guò)渡段的錐度和螺距依據(jù)工藝所需軸向溫度梯度的大小設(shè)定。

優(yōu)選地，所述石墨坩堝發(fā)熱體與變徑感應(yīng)線(xiàn)圈為同軸設(shè)置。

本發(fā)明具有以下有益效果：

利用變徑變螺距感應(yīng)線(xiàn)圈在加熱體內(nèi)部形成一種淺盤(pán)型(u型)溫度梯度的方法，該方法可在預(yù)制體軸向形成較大的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)由下及上的順序沉積，可以解決預(yù)制體致密化困難，制備周期長(zhǎng)，浪費(fèi)電能的問(wèn)題，具有低成本快速致密碳/碳復(fù)合材料工藝中在預(yù)制體軸向和徑向形成溫度梯度的技術(shù)。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中感應(yīng)線(xiàn)圈與石墨發(fā)熱體的位置關(guān)系示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中變徑變螺距感應(yīng)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中石墨發(fā)熱體內(nèi)溫度測(cè)試位置示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中石墨發(fā)熱體內(nèi)不同位置處的溫度分布(實(shí)測(cè)的u型溫度場(chǎng))。

圖5為變徑變螺距感應(yīng)線(xiàn)圈與石墨發(fā)熱體的位置關(guān)系示意圖。

圖6為溫度場(chǎng)內(nèi)不同位置處碳纖維預(yù)制體試樣沉積增重曲線(xiàn)。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種利用變徑變螺距感應(yīng)線(xiàn)圈實(shí)現(xiàn)溫度梯度的方法，采用變徑感應(yīng)線(xiàn)圈對(duì)石墨坩堝發(fā)熱體內(nèi)的碳纖維預(yù)制體進(jìn)行感應(yīng)加熱，如圖2所示，所述變徑感應(yīng)線(xiàn)圈呈螺旋型，直徑從上往下依次變小，包括上端、下端及過(guò)渡段，上端和下端均為所需直徑的單匝，過(guò)渡段呈錐形，上端和下端及過(guò)渡段是由同一銅管無(wú)間斷繞制而成。

圖3是置于變徑線(xiàn)圈內(nèi)的石墨坩堝(發(fā)熱體)不同測(cè)溫位置(溫度數(shù)據(jù)采集位置)示意圖。如圖所示，沿石墨坩堝軸向，距離端頭分別為9mm、18mm、43mm、66mm和84mm位置分別進(jìn)行測(cè)量，每一位置均沿徑向采集3個(gè)處溫度，即中心處、距中心10mm處和坩堝表層內(nèi)側(cè)距中心18mm處，不同采集位置的溫度數(shù)據(jù)繪于圖4中?？梢钥闯觯娇拷儚骄€(xiàn)圈的下端(線(xiàn)圈的直徑越小)的位置，溫度越高；約靠近線(xiàn)圈上端(線(xiàn)圈的直徑越大)的位置，溫度越低。另外，由于石墨坩堝表面最先被加熱，因此由表及里也形成一溫度梯度，但是沿徑向的這一溫度梯度較小。由于發(fā)熱體是對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，由圖4易知發(fā)熱體中沿著徑向和軸向的溫度場(chǎng)呈一淺盤(pán)形狀(或呈u型)，溫度場(chǎng)中的溫度梯度可以通過(guò)調(diào)節(jié)線(xiàn)圈直徑和螺距加以改變。

以下結(jié)合具體工藝驗(yàn)證u型溫度場(chǎng)內(nèi)不同位置處碳纖維預(yù)制體的沉積效果。首先將碳纖維預(yù)制體依次放入石墨坩堝內(nèi)不同位置，然后再石墨坩堝(發(fā)熱體)放入石英玻璃管中，進(jìn)行感應(yīng)加熱，變徑變螺距線(xiàn)圈與石墨坩堝發(fā)熱體位置關(guān)系如圖5所示。用熱電偶測(cè)定石墨坩堝內(nèi)壁溫度，并調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱設(shè)備功率，來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的溫度場(chǎng)。在感應(yīng)電流為20a時(shí)形成的溫度梯度下，以氮?dú)?丙烷＝3∶1的混合氣體為前軀體氣體，沉積室內(nèi)的壓力為5-10kpa的條件下進(jìn)行沉積碳實(shí)驗(yàn)。分別在沉積6h、16h、26h和36h后對(duì)試樣的增重情況進(jìn)行分析。不同試樣重量變化情況如圖6所示?？梢钥闯鑫挥诰€(xiàn)圈下端的試樣增重速度最快，由下至上不同位置處的碳纖維預(yù)制體試樣的增重速度依次減慢，位于線(xiàn)圈上端的試樣增重最慢。因此，本發(fā)明利用變徑變螺距感應(yīng)線(xiàn)圈實(shí)現(xiàn)的溫度梯度中，碳纖維預(yù)制體可以進(jìn)行順序沉積。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種利用變徑變螺距感應(yīng)線(xiàn)圈實(shí)現(xiàn)溫度梯度的方法，采用變徑感應(yīng)線(xiàn)圈對(duì)石墨坩堝發(fā)熱體內(nèi)的碳纖維預(yù)制體進(jìn)行感應(yīng)加熱，所述變徑感應(yīng)線(xiàn)圈呈螺旋型，直徑從上往下依次變小，包括上端、下端及過(guò)渡段，上端和下端均為所需直徑的單匝，過(guò)渡段呈錐形，上端和下端及過(guò)渡段是由同一銅管無(wú)間斷繞制而成。本發(fā)明利用變徑變螺距感應(yīng)線(xiàn)圈在加熱體內(nèi)部形成一種淺盤(pán)型(U型)溫度梯度的方法，該方法可在預(yù)制體軸向形成較大的溫度梯度，在碳纖維預(yù)制體致密化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)由下及上的順序沉積，解決預(yù)制體致密化困難，制備周期長(zhǎng)，浪費(fèi)電能的問(wèn)題，具有低成本快速致密碳/碳復(fù)合材料工藝中在預(yù)制體軸向和徑向形成溫度梯度的技術(shù)。

技術(shù)研發(fā)人員：季根順;賈建剛;王麗;薛向軍;郝相忠;陳曉龍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：蘭州理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.04.02
技術(shù)公布日：2017.08.01