一种高纯度碳化硅纤维高温连续碳化成型方法和设备与流程

本发明涉及碳化硅纤维碳化，尤其涉及一种高纯度碳化硅纤维高温连续碳化成型方法和设备。

背景技术：

1、高纯度碳化硅纤维是以聚碳硅烷为先驱体，经熔融纺丝、不熔化处理和高温碳化制得的一种连续无机纤维，具有耐高温、抗氧化、高强度和高模量等优异性能，是航空航天、核能等领域陶瓷基复合材料的关键增强体。纤维中的氧含量和束间性能一致性直接影响复合材料的服役可靠性，因此实现低氧含量和高均匀性是高纯度碳化硅纤维制备的核心目标。

2、现有技术中，通常将聚碳硅烷不熔化纤维束从放丝架引出，通过多级气幕或气封腔进入高温碳化炉，在惰性气氛保护下于1300-1600℃完成热解转化，再经上浆、干燥和收卷得到成品。为维持炉内低氧环境，工业上依赖多级气封阻挡外界空气，同时采用机械导辊和被动或主动张力器对多束纤维进行张力控制。

3、然而现有技术中仍然存在以下问题：

4、一、入口动态密封失效与纤维表面杂质夹带问题：高速走丝的纤维束如活塞般夹带空气和水分，常规气封无法剥离纤维表面物理吸附和毛细凝聚的氧与水，导致碳化后纤维氧含量偏高且波动大，难以稳定满足高纯度要求。

5、二、多锭位放丝张力被动耦合与来料差异无自适应能力问题：各锭位纤维通过导辊网络机械耦合，张力波动相互串扰，来料卷径变化及退绕跳动引起的张力差异无法实时解耦，造成纤维直径离散大、强度不均，严重时引发断丝。

6、因此，为解决上述问题，提出一种高纯度碳化硅纤维高温连续碳化成型方法和设备。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的不足，提供如下技术方案：

2、一种高纯度碳化硅纤维高温连续碳化成型方法，包括以下步骤：

3、s1：将聚碳硅烷不熔化纤维束从多个放丝锭位上引出。

4、s2：对所引出的纤维束进行表面深冷真空净化处理，以去除纤维表面及内部吸附的杂质。

5、s3：将净化后的纤维束在非接触式声驻波场中进行多束张力自主均衡输送。

6、s4：将张力均衡后的纤维束连续送入高温碳化炉，在惰性气氛保护下进行高温热解转化。

7、s5：对碳化后的纤维束依次进行表面处理、干燥成型和收卷。

8、作为上述技术方案的改进：

9、s21：使所述纤维束连续穿过一个温度低于-100℃的深冷腔室，使其表面和内部吸附的水分子冻结。

10、s22：将所述纤维束紧接着送入一个绝对压力低于100pa的真空腔室，使冻结的水分子直接升华并被抽离，同时脱除物理吸附的氧气。

11、作为上述技术方案的改进：

12、s23：立即将已经被吸附过氧气的所述纤维束引入一个充有纯度为99.9999%的惰性气体的回充腔室，利用惰性气体原子占据所述纤维束表面因杂质脱附而暴露的高能吸附位点，形成单原子级惰性保护层。

13、作为上述技术方案的改进：

14、s31：将完成净化的所述纤维束横向穿过一个由超声换能器阵列生成的二维近场声悬浮腔室，使所有纤维束在无机械接触的状态下被捕获在声压节点进行悬浮输送。

15、s32：利用布置在所述声悬浮腔室侧壁的声学传感器阵列，实时感知每一束纤维在声场中的空间位置变化。

16、s33：根据各纤维的位置偏移量，动态调节对应区域的声场强度，以非接触方式调整施加在每束纤维上的声辐射力，直至所有纤维束所受到的轴向输送阻力趋于一致，实现张力自主均衡。

17、作为上述技术方案的改进：

18、s331：通过所述声场动态调节，在所述声悬浮腔室内引入可控的微行波分量，利用声流效应为非接触悬浮的纤维束施加差异化的前向牵引力，主动补偿张力偏小的纤维束。

19、作为上述技术方案的改进：

20、s41：所述高温碳化炉内的碳化温度为1300-1600℃，炉内采用纯度为99.999%的高纯惰性气体保护。

21、s42：所述高温碳化炉的炉管和导丝器均由高纯石墨制成。

22、作为上述技术方案的改进：

23、应用于权利要求1至7任一项所述方法的一种高纯度碳化硅纤维高温连续碳化成型设备，沿纤维行进方向依次包括：

24、放丝单元、表面深冷真空净化单元、声悬浮张力解耦输送单元、高温碳化单元、表面处理与成型单元以及收卷单元。

25、所述表面深冷真空净化单元内部沿纤维行进方向依次划分为深冷腔室、真空腔室和惰性气体回充腔室，三个腔室之间设有供纤维穿过的狭缝通道，所述深冷腔室与液氮供给系统连通，所述真空腔室与多级真空泵组连通，所述惰性气体回充腔室与高纯氩气气源连通。

26、所述声悬浮张力解耦输送单元设置在所述表面深冷真空净化单元与所述高温碳化单元之间，其包含一个扁平状的声学谐振腔，该谐振腔的顶板和底板上均安装有超声换能器阵列，其侧壁上布置有用于感知纤维位置的微机电麦克风阵列。

27、从所述放丝单元引出的多束纤维，先后贯穿通过所述表面深冷真空净化单元的深冷腔室、真空腔室和惰性气体回充腔室，再横向穿过所述声悬浮张力解耦输送单元的声学谐振腔，最后进入所述高温碳化单元的入口。

28、作为上述技术方案的改进：

29、所述高温碳化单元为具有梯度加热功能的多温区电阻加热炉，其炉管为高纯石墨材质，内部导丝器为高纯石墨材质。

30、所述放丝单元包含多个主动式放丝电机，每个放丝电机均与所述声悬浮张力解耦输送单元中的微机电麦克风阵列信号联动，构成分布式张力闭环控制系统。

31、本发明的有益效果：

32、1.本发明中，通过表面深冷真空净化处理，先使纤维束穿过深冷腔室将其表面及内部吸附的水分子冻结，再送入真空腔室使冰晶直接升华抽离，并引入惰性气体在纤维表面形成原子级保护层。实现了纤维表面吸附氧和水的深度脱除与再吸附阻断，解决了现有技术中入口动态密封失效与纤维表面杂质夹带的问题。

33、2.本发明中，通过非接触式声驻波场进行多束张力自主均衡输送，利用声辐射力将各束纤维捕获在声压节点进行无接触悬浮输送，并实时感知纤维位置变化以动态调节声场强度，以非接触方式调整各纤维所受轴向阻力，以及在声场中引入微行波分量利用声流效应主动补偿张力偏小的纤维。实现了多束纤维张力的本质解耦与自适应均衡，解决了现有技术中多锭位放丝张力被动耦合与来料差异无自适应能力的问题。

1.一种高纯度碳化硅纤维高温连续碳化成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种高纯度碳化硅纤维高温连续碳化成型方法，其特征在于，s2中所述的表面深冷真空净化处理具体包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，s2中所述的表面深冷真空净化处理还包括以下步骤：

4.根据权利要求1所述的一种高纯度碳化硅纤维高温连续碳化成型方法，其特征在于，s3中所述的多束张力自主均衡输送具体包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种高纯度碳化硅纤维高温连续碳化成型方法，其特征在于，所述s33具体包括以下步骤：

6.根据权利要求1所述的一种高纯度碳化硅纤维高温连续碳化成型方法，其特征在于，所述s4具体包括以下步骤：

7.一种高纯度碳化硅纤维高温连续碳化成型设备，其特征在于，沿纤维行进方向依次包括：

8.应用于权利要求1至7任一项所述方法的一种高纯度碳化硅纤维高温连续碳化成型设备，其特征在于：