阅读说明：本技术 一种碳纤维预制体高压浸渍加压碳化工艺及设备 (High-pressure impregnation pressurization carbonization process and equipment for carbon fiber preform ) 是由 王金铎 杨海春 邵河 李童 郭宾 陶国新 啜艳明 于 2020-06-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种碳纤维预制体高压浸渍加压碳化工艺及设备,设备包括外胆和内胆,内胆和外胆之间形成腔体,碳纤维预制体放入腔体内,通过压力和温控控制腔体内的压力和温度,完成一体化高压浸渍和加压碳化,工艺包括预制体编织、浸渍液制备、加入浸渍液、高压浸渍、加压碳化和产品出炉,本发明所提供的方法不需要采用气相沉积增密,通过对浸渍液的优化,通过一步高压浸渍,二步加压碳化即可完成生产过程。产品周期小于45天,产品密度大于1.50g/cm<Sup>3</Sup>,所提供的设备一体设计,科学合理,极大的降低了能耗。(The invention relates to a high-pressure impregnation pressure carbonization process and equipment for a carbon fiber preform, wherein the equipment comprises an outer liner and an inner liner, a cavity is formed between the inner liner and the outer liner, the carbon fiber preform is placed in the cavity, the pressure and the temperature in the cavity are controlled by the pressure and the temperature, and the integrated high-pressure impregnation and pressure carbonization are completedThe production process can be completed. The product cycle is less than 45 days, and the product density is more than 1.50g/cm 3 The provided equipment is designed integrally, is scientific and reasonable, and greatly reduces energy consumption.)

一种碳纤维预制体高压浸渍加压碳化工艺及设备

技术领域

本发明涉及碳材料制备领域，具体涉及一种碳纤维预制体高压浸渍加压碳化工艺及设备。

背景技术

碳/碳坩埚是光伏行业中拉制单晶硅用必须耗材，目前国内制作碳/碳坩埚的方法是将碳纤维预制体气相沉积增密至密度1.0g/cm³后在浸渍设备中浸渍后转移到另外的设备中进行碳化增密，反复进行4-5次浸渍、碳化步骤使产品密度达到1.5g/cm³以上，整个生产周期需要90天，生产工序比较繁多效率低下，能源损失较多，自动化程度较低。

针对上述问题，现有技术中CN104446588A公开了一种碳纤维预制体液相浸渍增密方法，包括浸渍步骤、低温处理步骤和高温炭化步骤，以碳纤维预制体为增强体，高温改性沥青为基体浸渍剂，采用加压浸渍设备进行C/C材料的液相浸渍增密处理，采用现有的液相浸渍法，C/C材料密度达到1.5g·cm^-3以上需要8～10个周期的增密处理。

上述技术方案虽然对周期的次数进行了缩短，但是并不能解决单个周期长，需要倒换设备的复杂工序，由此，亟需发明一种新的工艺方法，以满足在不影响产品质量的前提下，缩短生产周期提高效率的要求。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种碳纤维预制体高压浸渍加压碳化工艺，并同时提供实施该工艺的设备。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

本发明提供了一种碳纤维预制体高压浸渍加压碳化设备，其包括相互配合的外胆和内胆，所述外胆和内胆上端开口，两者之间形成用于放置碳纤维预制体的密封腔；所述外胆外侧设有外壳，所述外壳内设有保温材料，所述外胆外侧与保温材料之间设有电加热管；所述内胆上端设有上盖，所述上盖内侧设有保温材料，所述内胆内侧设有电加热管；所述密封腔通过通气管路与调压室相连，所述调压室上设有自动泄压控制阀、自动加压控制阀和压力表；所述密封腔通过进液管路与浸渍液池相连，所述进液管路上设有高压泵和电动阀门。

作为本发明的进一步改进，所述外胆外侧与保温材料之间、所述内胆内侧都设有温度传感器。

作为本发明的进一步改进，所述外壳和上盖上都设有温控仪表，所述温控仪表分别与设于所述外胆外侧与保温材料之间和所述内胆内侧的温度传感器电性连接。

作为本发明的进一步改进，所述外胆和内胆上端都设有环状的外沿，所述外胆和内胆的外沿上设有相对应的螺纹孔，通过连接螺栓将所述外胆和内胆连接在一起。

作为本发明的进一步改进，所述外胆的外沿和内胆的外沿之间设有密封圈。

作为本发明的进一步改进，所述密封圈采用耐高温的硅酸铝纤维毡材质。

作为本发明的进一步改进，所述密封腔顶部设有与所述通气管路相连的通气口，所述密封腔底部设有与所述进液管路相连的浸渍液入口。

作为本发明的进一步改进，所述密封腔任何一处的间隙比此处所述碳纤维预制体的厚度大2-3mm。

作为本发明的进一步改进，所述保温材料采用岩棉。

本发明另一方面提供了一种利用上述设备进行碳纤维预制体高压浸渍加压碳化的工艺，其包括如下步骤：

（1）预制体编织：采用T700原丝生产碳布、网胎，按照尺寸密度计算用量，交层编织，30针/cm²，得到碳纤维预制体；

（2）浸渍液制备：向煤焦油沥青中加入0.5~1.0wt%的一维或二维纳米碳材料，加热混合均匀，备用；

（3）高压浸渍：将步骤（2）制备的浸渍液按照步骤（1）碳纤维预制体密度从0.45g/cm³增长至1.5g/cm³的计算所得量加入，浸没碳纤维预制体，在5~8MPa条件下，140~160℃保温1~2h；

（4）加压碳化：步骤（3）处理完成后，降压至2~4MPa，程序升温至850±10℃炭化3~4h，所述程序升温曲线如下：升温至230℃，3h；230℃，2h；230至650℃，18h；650至850℃，9h；850℃，4h；

（5）产品出炉：降温冷至室温，降压至大气压，取出碳纤维预制体，即得。

作为本发明的一些实施方案，所述步骤（2）中煤焦油沥青的软化点90~100℃，结焦值大于45%。

作为本发明的一些实施方案，所述步骤（2）中混合温度为150~180℃，采用超声混匀搅拌。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明所提供的方法不需要采用气相沉积增密，通过对浸渍液的优化，通过一步高压浸渍，二步加压碳化即可完成生产过程。产品周期小于10天，产品密度大于1.5g/cm³。

本发明所提供的一种碳纤维预制体高压浸渍加压碳化一体机，不需采用气相沉积增密，在一台设备上可以完成高压浸渍和加压碳化工艺，通过压力表和温控仪表实现了自动控制和安全生产，达到快速增密和碳化，减少了生产工序，降低了能耗，提高了生产效率，且能够保证产品内部结构均匀，提高了产品的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明的结构示意图。

其中：1外胆、1-1浸渍液入口、2内胆、2-1通气口、3密封腔、4碳纤维预制体、5外壳、6上盖、7保温材料、8电加热管、9通气管路、10调压室、11自动泄压控制阀、12自动加压控制阀、13压力表、14进液管路、15浸渍液池、16高压泵、17电动阀门、18温控仪表、19连接螺栓、20密封圈、21电源引线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对发明进行清楚、完整的描述。

实施例1

一种碳纤维预制体高压浸渍加压碳化设备，如图1所示，其包括相互配合的金属材质的外胆1和内胆2，所述外胆1和内胆2为圆筒形且上端开口，两者之间形成用于放置碳纤维预制体4的密封腔3，所述密封腔3任何一处的间隙比此处所述碳纤维预制体4的厚度大2-3mm，保证所述碳纤维预制体4不发生过大的变形，起到固定形状的作用。

所述外胆1外侧设有金属材质的外壳5，所述外壳5内设有保温材料7，所述外胆1外侧与保温材料7之间设有电加热管8；所述内胆2上端设有金属材质的上盖6，所述上盖6内侧设有保温材料7，所述内胆2内侧设有电加热管8。所述保温材料7采用岩棉。所述外胆1外侧与保温材料7之间、所述内胆2内侧都设有温度传感器。所述外壳1和上盖6上都设有温控仪表18，所述温控仪表18分别与设于所述外胆1外侧与保温材料7之间和所述内胆1内侧的温度传感器电性连接。所述密封腔3通过通气管路9与调压室10相连，所述调压室10为锻钢材料的空腔，与气泵相连，所述调压室10上设有自动泄压控制阀11、自动加压控制阀12和压力表13，还可以设置压力变送器和安全阀。所述电加热管8沿所述外胆1外侧和内胆2内侧周向均匀设置，其将热能辐射给所述外胆1和内胆2，然后再以热传导方式传递给密封腔3内的碳纤维预制体4，进行加热。通过所述温度传感器和温控仪表18对密封腔3内温度进行调控，保证维持在工艺所要求的温度。通过所述调压室10和压力表12对密封腔3内压力进行调控，保证维持在工艺所要求的压力。

所述密封腔3通过进液管路14与浸渍液池15相连，所述进液管路14上设有高压泵16和电动阀门17。所述浸渍液池15内盛放有计量好体积的浸渍液，正好是全部浸没所述碳纤维预制体4的量，通过所述高压泵16将浸渍液泵入密封腔3内，然后所述电动阀门17关闭。

所述外胆1和内胆2上端都设有环状的外沿，所述外胆1和内胆2的外沿上设有相对应的螺纹孔，通过连接螺栓19将所述外胆1和内胆2连接在一起。所述外胆1的外沿和内胆2的外沿之间设有密封圈20，进行密封，防止漏气和漏液。所述密封圈20采用耐高温的硅酸铝纤维毡材质。

所述密封腔3顶部设有与所述通气管路9相连的通气口2-1，所述通气口2-1开设在所述内胆2的外沿上；所述密封腔3底部设有与所述进液管路14相连的浸渍液入口1-1，所述浸渍液入口1-1开设在所述外胆1底部。

上述装置工作过程如下：

预制体编织：采用T700碳纤维丝生产碳布、网胎，按照尺寸、密度计算碳布和网胎用量，按照30针/cm²交层编织，得到碳纤维预制体。

浸渍液制备：向软化点为95℃、结焦值大于45%的煤焦油沥青中加入0.5~1.0wt%的一维纳米碳材料或二维纳米碳材料，150~180℃超声混匀，超高声波频率为30Khz。混合均匀后注入浸渍液池15中。

产品装炉：清理所述外胆1，将制备得到的碳纤维预制体4放置在所述外胆1的内侧，将所述内胆2插入所述外胆1后，通过所述连接螺栓19将外胆1和内胆2外沿固定好，构成装填有碳纤维预制体4的密封腔3，完成待加工产品的装炉。

泵入浸渍液：启动高压泵16，将残炭率45%的浸渍液按照碳纤维预制体4从0.45g/cm³增长至1.5g/cm³的计算所得量加入到密封腔3内，然后电动阀门17自动关闭，高压泵16自动停止。

高压浸渍：启动自动加热，通过电源引线21将电能引入到电加热管8，开始升温加热至140~160℃，温度监测通过温控仪表18完成，保温时间为1~2小时，实现浸渍液充分在密封腔3内部均匀分布，且实现自动升温、保温和降温。在加热过程中因浸渍液挥发会产生气体，造成密闭空间压力升高，通过压力表13检测和PLC控制系统控制，自动启动自动泄压控制阀11，将压力控制在工艺要求的5~8MPa范围内。

加压碳化：高压浸渍工艺结束后，继续按如实施例1中所述的碳化工艺曲线要求的850℃保温4小时，进行自动升温、保温和降温，期间因挥发产生的气体会造成密闭空间压力升高，通过压力表13检测和PLC控制系统控制，自动启动自动泄压控制阀11，将压力控制在工艺要求的2~4MPa范围内，直至碳化工艺结束。

产品出炉：通过自动泄压控制阀11将压力降为“零”，使密封腔3内气压与外界大气压相同，拧开连接螺栓19，取出内胆2和碳纤维预制体4，产品出炉完成。

实施例2

利用如实施例1所述的设备进行碳纤维预制体高压浸渍加压碳化的工艺，其包括如下步骤和参数：

（1）预制体编织：采用T700原丝生产碳布、网胎，按尺寸密度计算碳布和网胎用量碳布，按照30针/cm²交层编织，得到碳纤维预制体。

（2）浸渍液制备：向软化点为95℃、结焦值大于45%的煤焦油沥青中加入0.8wt%的一维纳米碳材料，165℃超声混匀，超高声波频率为30Khz。

（3）高压浸渍：将步骤（2）制备的浸渍液按照步骤（1）碳纤维预制体从0.45g/cm³增长至1.5g/cm³的计算所得量加入，浸没碳纤维预制体，在6.5MPa条件下，150℃保温1.5h，降至室温；

（4）加压碳化：步骤（3）处理完成后，降压至2.0MPa，程序升温至850℃炭化4h，所述程序升温曲线如下：升温至230℃，3h；230℃，2h；230至650℃，18h；650至850℃，9h；850℃，4h。

（5）产品出炉：降温冷至室温，降压至大气压，取出碳纤维预制体，即得。

实施例3

利用如实施例1所述的设备进行碳纤维预制体高压浸渍加压碳化的工艺，其包括如下步骤和参数：

（1）预制体编织：采用T700原丝生产碳布、网胎，按尺寸密度计算碳布和网胎用量，按照30针/cm²交层编织，得到碳纤维预制体。

（2）浸渍液制备：向软化点为95℃、结焦值大于45%的煤焦油沥青中加入1.0wt%的二维纳米碳材料，165℃超声混匀，超高声波频率为25Khz。

（3）高压浸渍：将步骤（2）制备的浸渍液按照步骤（1）碳纤维预制体从0.45g/cm³增长至1.5g/cm³的计算所得量加入，浸没碳纤维预制体，在5.0MPa条件下，160℃保温1h，降至室温；

（4）加压碳化：步骤（3）处理完成后，降压至3.5MPa，程序升温至850℃炭化4h，所述程序升温曲线如下：所述程序升温曲线如下：升温至230℃，3h；230℃，2h；230至650℃，18h；650至850℃，9h；850℃，4h。

（5）产品出炉：降温冷至室温，降压至大气压，取出碳纤维预制体，即得。

实施例4

一种碳纤维预制体高压浸渍加压碳化工艺，按照实施例2设备进行生产，具体的各个参数如下：

（1）预制体编织：采用T700原丝生产碳布、网胎，按尺寸密度计算碳布和网胎用量，按照30针/cm²交层编织，得到碳纤维预制体。

（2）浸渍液制备：向软化点为95℃、结焦值大于45%的煤焦油沥青中加入0.5wt%的二维纳米碳材料，165℃超声混匀，超高声波频率为30Khz。

（3）高压浸渍：将步骤（2）制备的浸渍液按照步骤（1）碳纤维预制体从0.45g/cm³增长至1.5g/cm³的计算所得量加入，浸没碳纤维预制体，在8.0MPa条件下，140℃保温1.5h，降至室温；

（4）加压碳化：步骤（3）处理完成后，降压至2.0MPa，程序升温至850℃炭化4h，所述程序升温曲线如下：升温至230℃，3h；230℃，2h；230至650℃，18h；650至850℃，9h；850℃，4h。

（5）产品出炉：降温冷至室温，降压至大气压，取出碳纤维预制体，即得。

对比例1

与实施例2的区别在于浸渍液中不加一维纳米碳材料。

对比例2

与实施例2的却别在于高压浸渍步骤压力为3.0MPa，加压碳化步骤压力为1MPa。

效果例1

对实施例2、实施例3、实施例4对比例1和对比例2得到的产品进行石墨化程度、拉伸强度、热导率和热扩散率的性能测定，具体见表1。

表1 性能

本发明所提供的工艺不仅将生产周期缩短90%，提高了生产效率，而且得到的产品性能优异，能够保证产品内部结构均匀，提高产品使用寿命，按目前国内单晶硅行业每年平均使用3万件坩埚计算，可至少降低1.1亿元/年的生产成本，促使光伏行业持续降低成本，快速实现平价上网。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。