一种高性能炭/炭组合式热压模的制作方法

技术领域：

本发明涉及一种高温制造如粉末冶金或陶瓷材料制备领域，具体是指一种由炭/炭材料制备的高性能的模具。

背景技术：
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陶瓷材料的制备工艺中包括一个重要的坯体烧结过程，在该过程中是将多组分粉体配制后构成一个坯体，将坯体置入一个筒状的模具在高温下烧制，同时通过模具的两端或一端的开口端施加压力，使坯体在高温高压下烧结以获得所需要的先进性能的陶瓷材料，在这一烧结过程中，筒状的模具在耐受高温的同时，还会受到径向和轴向的力，能满足上述环境要求的材料极少。目前常用的模具为石墨材料制备的石墨模具，石墨模具能满足高温条件，如2000℃以上的高温，但石墨材料的拉伸强度不够高，在上述的陶瓷材料的高温加压的制备过程往往施加的压力大于50mpa以上，例如碳化硼、氮化硅和氧化铝等材料的制备，如为增加陶瓷材料的致密性，还会施加更大的压力。上述的石墨模具由于石墨材料具有一定的脆性，在加压过程中易产生脆性断裂，这会造成严重的生产事故。目前还出现一种炭/炭材料的模具，其是以传统的炭/炭材料的制备工艺，包括炭布网胎针刺、预制体制备、cvd气相沉积等步骤制备出一体结构的模具，其较之石墨模具的抗拉伸强度有所提高，但基于传统工艺的局限，上述的炭/炭材料的模具的密度不均匀，表面密度高，中心部位的密度低，且传统工艺的炭纤维的含量也较低，使之力学性能提高也被限制。因此，现有的炭/炭材料的模具的使用寿命远远达不到要求的300炉次的寿命要求，故提高上述模具的使用寿命仍是一个急待解决的问题。

技术实现要素：
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本发明的发明目的是公开一种高性能、使用寿命长的炭/炭材料的组合式热压模。

实现本发明的技术方案是：筒状的炭/炭热压模有内环壁和外环壁，内环壁由多个圆环状的炭/炭材料的单体叠置构成，单体表面之间有超高温胶粘层，外环壁由多层浸渍有浸渍液的炭纤维缠绕构成，经加热加压固化、cvd增密与高温烧制为一体结构。

所述的单体由浸渍有浸渍液的多层炭纤维布叠置，经高温加热固化、cvd增密和高温处理制备，单体的厚度为12～20mm，单体中炭纤维的含量为70～90％。

所述的单体由浸渍有浸渍液的炭纤维束缠绕成扁平的圆环状经高压加热固化和高温处理制备，单体的厚度为15～20mm，单体中炭纤维含量为70～90％。

所述的单体的一表面有凸部，另一表面有凹部。

所述的超高温胶粘层固化前的构成按重量百分比计算是由25～35％的酚醛树脂、10～25％的硅溶胶、10～15％的纳米级的炭黑、8～15％的粒度为30～50μm的硅粉、4～6％的30～50μm的氮化硅和10～17％的长度为2～5mm的短切炭纤维构成。

所述的内环壁表面的外环壁由8～12层浸渍有浸渍液的整体炭纤维布缠绕而成。

所述的内环壁表面的外环壁由浸渍有浸渍液的炭纤维布条与筒状的内环壁的轴向方向成一夹角以螺旋方式缠绕构成，层数为8～12层的偶数层，相邻层的缠绕方向相反。

所述的缠绕的有浸渍液的炭纤维布条与筒状的内环壁的轴向方向的夹角为54°～55°。

所述的浸渍液的构成按重量百分比计算是由60～70％的酚醛树脂、10～15％的纳米级炭黑、2～5％的长度为2～5mm的短切炭纤维和8～15％的粒度为30～50μm的硅粉构成。

本发明公开的上述的技术方案中，内环壁由多个圆环状的单体叠置构成，单体可以作到密度均一和达到较高的密度，又由外环壁的环绕结构约束，形成组合式的结构，使整体的热压模的厚度达到一定的尺度下，还能保证整体的密度均一和较高的密度，这使热压模的强度与热性能达到较高的水平，而热压模的独特的内外环壁的结构使筒状热压模的抗拉伸强度和抗径向力的性能均大幅提高，同时在整个制备的工艺时间上有所降低，使之在性能和使用寿命大幅提高的同时，使制备成本有所下降。

附图说明：

图1为本发明的筒状热压模的整体状态图。

图2为图1的断面结构示意图。

图3为本发明的单体的断面结构示意图。

图4为本发明的单体的另一种结构的断面结构示意图。

具体实施方式：

结合附图给出本发明的具体实施方式的详细描述，需要指出的是本发明的具体实施例的详细描述是为便于对整个发明的技术实质的理解，而不应视为是对本发明的权利要求保护范围的限制。

请参见图1～图4，本发明的具体实施例的技术解决方案是：筒状的炭/炭热压模有内环壁1和外环壁2，内环壁1由多个圆环状的炭/炭材料的单体3叠置构成，单体3表面之间有超高温胶粘层4，外环壁2由多层浸渍有浸渍液的炭纤维缠绕构成，经加热加压固化、cvd增密与高温烧制为一体结构。上述的内环壁1的多个圆环状的单体3为扁平的圆环状的炭/炭材料，类似于常见的圆环垫片，由于单体3的特定的形状，使之经加热加压固化就可达到1.5g/cm³以上，再经高温烧结和cvd气相沉积，仍能保证单体3的密度达到1.5g/cm³以上，更为关键的是由于厚度较小使单体3的密度达到基本均匀，这可使较大体积或尺寸的内环壁1整体具有基本均匀的密度，减小了使用过程中高温环境下的热应力的不均匀和受到外力时内部受力的不均匀，增加了内环壁1的抗拉伸和抗压的性能，而且单体3的炭纤维走向或分布的均一性也增加了内环壁1整体抗拉伸和抗压的性能；而外环壁2的多层炭纤维的缠绕构成，对内环壁1的径向膨胀施加了一个强大的约束力，该强大的约束力来自于多层炭纤维布的缠绕结构和炭纤维的抗拉伸性能；内、外环壁(1、2)的组合式的结构特点使筒状的炭/炭材料的热压模具有极佳的轴向抗拉伸和抗压的性能的同时，还具有极佳的抗径向变形的性能，且由于内环壁1和外环壁2的密度较高和密度均匀性，使筒状的炭/炭材料的热压模的热力学性能极佳，大幅提高了热压模的使用寿命。

所述的单体3由浸渍有浸渍液的多层炭纤维布叠置，经高温加热固化、cvd增密和高温处理制备而成；上述的结构使单体3有良好的炭纤维的分布的均一性，不会出现抗径向力的薄弱环节，也特别有益于施加压力时的固化过程，上述的单体3的厚度为12～20mm，该厚度范围可有效地控制单位的密度的均匀性和单位的密度达到1.5g/cm³以上，并且单体3中炭纤维的含量为70～90％，余量为浸渍液高温处理后的组分或结构物和cvd气相沉积产生的热解炭。

所述的单体3由浸渍有浸渍液的炭纤维束缠绕成扁平的圆环状，经加热加压力固化为所需尺寸的圆环单体3，经高温处理与cvd气相沉积得到所述的炭/炭材料的单体3，上述的单体3的厚度为15～20mm，密度为1.5g/cm³以上，并且单体3中炭纤维含量为70～90％，余量为浸渍液高温处理后的组分或结构物和cvd气相沉积产生的热解炭；上述的单体3是在一扁平状的的模具中在一定的张力下进行紧密缠绕，这可使单体3具有极佳的抗径向作用力的性能，以最佳方式体现现有炭纤维束的抗拉伸性能，提高了热压模的使用寿命。

所述的单体3的一表面有凸部5，另一表面有凹部6，相邻的两块单体3在叠置时凸部5与凹部6相互嵌合，这可进一步提高内环壁1的整体结构强度，同时提高内环壁1的抗侵蚀性能，上述的凸部5与凹部6可设置在圆环状的单体3的内圆边缘或外圆边缘或圆环状表面的中间位置，可在单体3的加热加压固化过程中实现。

所述的超高温胶粘层4固化前的构成按重量百分比计算是由25～35％的酚醛树脂、10～25％的硅溶胶、10～15％的纳米级的炭黑、8～15％的粒度为30～50μm的硅粉、4～6％的30～50μm的氮化硅和10～17％的长度为2～5mm的短切炭纤维构成。上述的胶粘剂在加热加压固化过程中，部分会渗透入单体3的表面层内，高温处理阶段使多个圆环状单体3烧结为一个筒状的内环壁1，由于胶粘剂的组分构成中含有陶瓷组分，故超高温温胶粘层4具有高强度和良好的抗氧化性能，进一步提高了内环壁1的整体的强度性能。

所述的内环壁1表面的外环壁2由8～12层浸渍有浸渍液的整体炭纤维布缠绕而成；缠绕时炭纤维布的缠绕张力为50～60千克，以提高缠绕的炭纤维布层的致密性，整体的炭纤维布可使外环壁2的整体性好，且使外环壁2的抗拉伸性能均衡。所述的内环壁1表面的外环壁2由浸渍有浸渍液的炭纤维布条与筒状的内环壁1的轴向方向成一夹角以螺旋方式缠绕构成，层数为8～12层的偶数层，相邻层的缠绕方向相反，缠绕时炭纤维布条的缠绕张力为40～50千克，上述的缠绕结构不仅使多层炭纤维布层致密性好，内部的炭纤维束的应力会相互抵消，并且具有极佳的抗拉伸性能，经过反复试验与检测，缠绕的有浸渍液的炭纤维布条与筒状的内环壁1的轴向方向的夹角为54°～55°，在外环壁2受到外力时，炭纤维束的抗拉伸能力不仅得到充分发挥，且丝与丝之间是斜向整体进行挤压，因此抗变形能力得到大幅提高，外环壁2的强度得到大幅提高；同样经加压定向固化、高温处理和cvd气相沉积得到的炭/炭材料的外环壁2，外环壁2内的炭纤维含量为70～90％，余量为浸渍液高温处理后的组分或结构物和cvd气相沉积产生的热解炭。

所述的浸渍液的构成按重量百分比计算是由60～70％的酚醛树脂、10～15％的纳米级炭黑、2～5％的长度为2～5mm的短切炭纤维和8～15％的粒度为30～50μm的硅粉构成；上述的浸渍液具有良好的流变性和分散性，可均匀地分散在炭纤维布或炭纤维束的炭纤维丝之间，上述的炭黑与硅粉要求的特定粒度一方面是确保均匀分布于炭纤维布或炭纤维束内，另一方面提高高温处理过程的反应和得到高温处理过程的结构物，以增加炭/炭材料的结构强度。

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