一种碳纤维热压成型增密工艺及设备的制作方法

1.本发明涉及碳纤维加工技术领域，尤其是涉及一种碳纤维热压成型增密工艺及设备。


背景技术：

2.炭纤维/炭(cf/c)复合材料具有高比强度、高比模量、材料结构可设计性、高温下强度保持率高等优异的性能，它广泛应用于军事、航空航天等领域。cf/c复合材料在常温下的强度和弹性模量好，能够代替钢和各种金属，目前cf/c复合材料的拉伸强度已经超过优质钢；cf/c复合材料不仅具有其它复合材料的优点而且有其独到之处：由于体系均由碳元素构成，碳原子彼此间具有极强的亲合力使得cf/c复合材料无论在低温还是高温下都具有很好的稳定性；密度小于2.0g/cm3，仅为镍基高温合金的1/4，陶瓷材料的1/2；抗烧蚀性能良好，烧蚀均匀可以承受高于3000℃的高温；耐摩擦磨损性能优异，摩擦系数小，性能稳定是各种耐磨和摩擦部件的最佳候选材料之一。
3.目前，cf/c复合材料大多数是经化学气相沉积(cvd)，化学气相浸渗(cvi)或经沥青、树脂浸渍后再进行炭化而制得，但这些过程都需进行多次昂贵的致密化并且周期很长，这就必然导致cf/c复合材料成本的大幅提高，只能应用于像航空、航天这样高科技、高投入的领域，限制了将这一性能优异的材料应用于其它领域，为此许多研究工作者着力于从原材料及工艺入手，通过各种途径缩短材料的制备周期，以降低cf/c复合材料的成本。
4.cf/c复合材料抗氧化涂层研制成功后，在氧化气氛下可以多次重复使用，使它成为一种极好的耐烧蚀材料，也是一种耐高温热结构材料，成为当今先进复合材料研究和开发的重点。但是cf/c复合材料也存在一些问题限制了它的应用，目前主要的问题是各种常用的致密化方法和浸渍剂性能不尽如人意。
5.因此，探索出一种碳纤维热压成型增密工艺，实现快速制备cf/c复合材料，达到减少致密化周期、降低材料成本的效果，具有较好的经济效益和社会效益。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对以上问题，提供一种碳纤维热压成型增密工艺及设备，通过
7.为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种碳纤维热压成型增密工艺，包括以下步骤：
8.a、原材料混和：将短纤维、石油焦粉，高温沥青粉，环氧树脂按照7.5：1：1：0.5的采用v形搅拌机进行混合；
9.b、铺层后热压成型：将混合材料放入热压模具中进行热压成型，热压工艺参数为温度300℃、时长20-30min，热压模具的上加热部(18)和下加热部(20)均通过导热油加热，热源由碳化后产生的气体和重油燃烧产生；
10.c、高温固化碳化：到达碳化炉后通过悬臂机械手将产品放入炉子内，高温固化温度700℃-1400℃，时长20-40h，压力固化中产生的重油和可燃气体通过燃烧机变成热压机
的和浸渍热源；
11.d、脱模：高温固化碳化后通过悬臂机械手吊出，后进行脱模；
12.e、沥青浸渍-碳化-萘原位沥青浸渍聚合-高温高压碳化：浸渍罐采用石油沥青、煤沥青作为融化罐，浸渍温度，200℃-350℃，浸渍压力不小于0.5mpa；f、石墨化-表面涂层：石墨化温度采用2000-3000℃高温处理，表面涂层为以mosi2、sic、si和al2o3混合粉为渗料，采用高温包埋浸渍法在产品表面制备的mosi2/sic复合涂层。
13.另外，本发明还公布了一种碳纤维热压成型增密的设备，包括v形搅拌机及热压模具，v形搅拌机的v形搅拌筒两侧通过转轴与安装座的驱动电机连接安装，其特征在于，所述v形搅拌筒两侧的进料通道顶部均开设有进料口，v形搅拌筒底部开设有出料口，v形搅拌筒的上壁板上铰接有挡板，v形搅拌筒的下壁板上设置有挡块，所述下壁板上设置有刮板组件，所述v形搅拌筒的出料口上方设置有搅拌组件；所述热压模具包括安装架，安装架的顶板下方设置有上加热部，上加热部下方设置有碳碳上模具，碳碳上模具下方设置有碳碳下模具，碳碳下模具下方设置有下加热部，碳碳下模具下方设置有顶升气缸。
14.进一步的，所述挡块朝向进料口一侧的侧面为斜面结构，挡块另一侧的侧壁与挡板底部侧壁接触。
15.进一步的，所述刮板组件包括间隔设置于下壁板内壁的安装板，两块安装板之间设置有滑动轴，滑动轴上滑动设置有刮板。
16.进一步的，所述安装板朝向进料口一侧的侧面为斜面结构；所述刮板与下壁板内壁接触的一面为锯齿状结构，刮板上设置有配重块。
17.进一步的，所述搅拌组件包括设置于出料口上方的搅拌轴，搅拌轴两端与轴承座相连，轴承座设置于两侧的下壁板内壁上，所述搅拌轴上设置有搅拌叶片。
18.进一步的，所述搅拌轴上设置有连接杆，连接杆尾端设置有搅拌板；所述搅拌叶片为螺旋叶片。
19.进一步的，所述搅拌板底部开设有v形缺口，搅拌板上设置有配重块。
20.进一步的，所述碳碳上模具下方设置有密封件与碳碳下模具上的密封部配合形成密封自锁，所述上加热部和下加热部内均盛有导热油。
21.本发明的有益效果：
22.1、以往碳纤维增密工艺中，原材料采用编制方式，此种工艺生产周期长，生产一块需要10-15h，坯体密度只有0.45。采用此工艺热压成型工艺可实现快速成型，能够有效提高坯体的生产效率，大幅缩短加工时间。
23.2、本发明生产设备中热压模具采用碳碳模具为了提供基本的力学性能，同事保障在高温下不变形；碳化炉产生的重油和可燃气体通过回收，环保节能；另外采用沥青、萘原位沥青2种沥青可实现快速增密，提高产品性能。
24.3、本发明v形搅拌机的v形搅拌筒内设置有挡板组件、刮板组件和搅拌组件，分别实现挡料作用、刮壁作用和搅拌作用。其中挡板组件的挡板为铰接于v形搅拌筒的上壁板，当v形搅拌筒进行转动时挡板可进行摇摆，挡板底部与挡块接触，可将v形搅拌筒内部的物料进行阻挡，从而实现物料的集中，以提高搅拌混合的效率。
25.刮板组件的刮板上设置有配重块，当v形搅拌筒转动时，刮板在离心力的作用下可在滑动轴上进行滑动，进而实现对下壁板的刮料作用，减少下壁板上残留物沉积结块的现
象。
26.搅拌组件包括搅拌轴，搅拌轴上设置有螺旋状的搅拌叶片，搅拌轴还通过连接杆连接有搅拌板，搅拌板上设置有配重块，搅拌板底部开设有v形缺口，当v形搅拌筒转动时，搅拌板在离心力的作用下带动搅拌轴转动，进而带动搅拌叶片将物料进行搅拌混合，可省去搅拌电机的结构达到节能的效果。
27.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
28.图1为本发明的工艺布置流程示意图。
29.图2为本发明的沥青浸渍-碳化-萘原位沥青浸渍聚合的工艺流程示意图。
30.图3为本发明的v形搅拌机的整体结构示意图。
31.图4为本发明的v形搅拌筒的内部结构示意图。
32.图5为本发明的搅拌组件的结构示意图。
33.图6为本发明的刮板组件的结构示意图。
34.图7为本发明的热压模具的结构示意图。
35.图中所述文字标注表示为：1、安装座；2、转轴；3、进料口；4、v形搅拌筒；5、出料口；6、挡块；7、挡板；8、刮板；9、搅拌轴；10、上壁板；11、下壁板；12、轴承座；13、搅拌叶片；14、连接杆；15、搅拌板；16、安装板；17、滑动轴；18、上加热部；19、安装架；20、下加热部；21、密封板；22、顶升气缸；23、碳碳上模具；24、碳碳下模具。
具体实施方式
36.以下通过实施例进一步对本发明做出阐释。
37.一种碳纤维热压成型增密工艺，包括以下步骤：
38.a、原材料混和：将短纤维、石油焦粉，高温沥青粉，环氧树脂按照7.5：1：1：0.5的采用v形搅拌机进行混合；
39.b、铺层后热压成型：将混合材料放入热压模具中进行热压成型，热压工艺参数为温度300℃、时长20-30min，热压模具的上加热部18和下加热部20均通过导热油加热，热源由碳化后产生的气体和重油燃烧产生；
40.c、高温固化碳化：到达碳化炉后通过悬臂机械手将产品放入炉子内，高温固化温度700℃-1400℃，时长20-40h，压力固化中产生的重油和可燃气体通过燃烧机变成热压机的和浸渍热源；
41.d、脱模：高温固化碳化后通过悬臂机械手吊出，后进行脱模；
42.e、沥青浸渍-碳化-萘原位沥青浸渍聚合-高温高压碳化：浸渍罐采用石油沥青、煤沥青作为融化罐，浸渍温度，200℃-350℃，浸渍压力不小于0.5mpa；f、石墨化-表面涂层：石墨化温度采用2000-3000℃高温处理，表面涂层为以mosi2、sic、si和al2o3混合粉为渗料，采用高温包埋浸渍法在产品表面制备的mosi2/sic复合涂层。
43.另外，本发明还公布了一种碳纤维热压成型增密的设备，包括v形搅拌机及热压模具，v形搅拌机的v形搅拌筒4两侧通过转轴2与安装座1的驱动电机连接安装，其特征在于，所述v形搅拌筒4两侧的进料通道顶部均开设有进料口3，v形搅拌筒4底部开设有出料口5，v
形搅拌筒4的上壁板10上铰接有挡板7，v形搅拌筒4的下壁板11上设置有挡块6，所述下壁板11上设置有刮板组件，所述v形搅拌筒4的出料口5上方设置有搅拌组件；所述热压模具包括安装架19，安装架19的顶板下方设置有上加热部18，上加热部18下方设置有碳碳上模具23，碳碳上模具23下方设置有碳碳下模具24，碳碳下模具24下方设置有下加热部20，碳碳下模具24下方设置有顶升气缸22。
44.优选的，请参照图1、6所示，所述挡块6朝向进料口3一侧的侧面为斜面结构，挡块6另一侧的侧壁与挡板7底部侧壁接触。
45.优选的，请参照图4、6所示，所述刮板组件包括间隔设置于下壁板11内壁的安装板16，两块安装板16之间设置有滑动轴17，滑动轴17上滑动设置有刮板18。所述安装板16朝向进料口3一侧的侧面为斜面结构；所述刮板18与下壁板11内壁接触的一面为锯齿状结构，刮板18上设置有配重块。
46.挡块6和安装板16一侧为斜面结构，方便物料的流动，减少对物料的阻力。同时两者的另一侧面也能配合挡板7对物料起到挡料作用，防止物料在离心力的作用下对出料口的密封盖造成太大的冲击。
47.优选的，请参照图4、5、6所示，所述搅拌组件包括设置于出料口5上方的搅拌轴9，搅拌轴9两端与轴承座12相连，轴承座12设置于两侧的下壁板11内壁上，所述搅拌轴9上设置有搅拌叶片13。所述搅拌轴9上设置有连接杆14，连接杆14尾端设置有搅拌板15；所述搅拌叶片13为螺旋叶片。所述搅拌板15底部开设有v形缺口，搅拌板15上设置有配重块。
48.优选的，请参照图7所示，所述碳碳上模具23下方设置有密封件21与碳碳下模具24上的密封部配合形成密封自锁，所述上加热部18和下加热部20内均盛有导热油。
49.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
50.本文中对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。