碳碳复合材料发热体的研究及应用

C/C复合材料发热体的应用及研究

 

1.石墨电阻发热体的的特性及使用现况

 

    目前，作为真空高温电阻炉发热体材料的大体可分为两大类，其一是难熔金属，其二为石墨发热体。20世纪中叶之后由于出现了一些新型石墨制品，如石墨毡、石墨绒、石墨布及柔性石墨制品等的相继问世；再加上一些科研院所研究了石墨对被处理材料影响的科研成果，这就使得石墨-这个来源丰富、价格便宜、制造容易的材料得以广泛应用。

 

1.1 石墨电阻发热体的特性

 

    (l)高温强度好，在常温下石墨的强度远比金属的差，但随着温度的升高，其强度逐渐提高，当升至1700~1800℃时，竟然超过了所有的氧化物和金属；但是超过2500℃其机械强度急剧下降。

 

    (2)石墨具有金属及陶瓷的某些特性，具有良好的导热、导电性；又具有多孔性和小的热膨胀系数；由于其导热好和热膨胀系数小，这就使石墨成为耐热震的料之一。

 

    (3)石墨的取材容易，尤其是我国石墨资源丰富，相对价格便宜，不论是发热体或是保温屏(碳毡或石墨毡)，其材料费和加工费大约是铝发热体和隔热屏的1/4~1/5；与钨和担锐相比更为廉价。

 

    (4)石墨电阻温度系数小，热惯性小，可以快速加热和冷却。在被处理工件没有特殊要求的情况下(即对真空的残余气氛中较低浓度碳量不起作用时)作为真空炉发热体是很适合的。另外，灼热的碳发热体会与残余气体中氧、水蒸汽发生反应生成CO和CO2，随时被真空泵抽走，残余的气体是还原性气氛，如在石墨发热体的真空淬火炉中，其真空度只有65Pa左右，而被处理的工件仍可获得光亮的表面状态。这样便简化了真空系统的配置，可大大降低炉子的成本，这是其他任何金属发热体所不能比拟的。

 

    (5)由于石墨纤维编织物(如石墨布、石墨带等)出现，作为真空炉发热体更为理想，其具有耐高温、不变形、耐冲击性好、辐射面积大、柔性好、便于加工和安装等优点。另外，从电性能看，石墨布可制成较大电阻的发热元件，因而可在相同功率的情况下，提高发热元件的电压，适当地降低了电流，这便可以简化电极，减少能耗；从热性能来看，增加了辐射面积，便可降低发热元件的温度，也相应降低发热元件的表面负荷，减少热损失，节约了能源。根据试验证明，石墨带发热体与石墨棒发热体相比，其炉子的空载损失可减少15%左右。

 

(6)石墨材料在真空中的出气量在很大程度范围内变化，与石墨的种类(包括石墨化程度、纯度和密度)不同而异。一般石墨材料出气速率的温度范围为800~1300℃。

 

1.2 石墨电阻发热体的使用状况

 

    通常石墨发热体有几种典型结构，可根据炉子的结构不同进行匹配使用。

 

    (1)管、棒石墨发热体，在立式炉中，可作成小功率单相圆筒鼠笼状、大功率三相圆筒鼠笼状结构;在卧式炉中，发热体安装在炉子内两侧平面状结构，上、下及前后均不再安放发热体，但其炉温均匀度仍较好。使用大直径发热体，如必巧以上的棒材，在加热到高温时，其表面与心部温度差较大，产生应力，影响使用寿命，而应采用管状发热体代之。在安装此类发热体时，应考虑其受热时的长度热膨胀，应在联结处的一端留有可膨胀的余叱。这种发热体材料的来源方便，成本较低，结构简单。

 

棒（管）石墨发热体

 

    (2)管状发热体，在立式炉中常见，该发热体为在圆筒状石墨管上开有两个或多个槽，用以增加发热体的有效长度，一般较小直径的发热体为单相的结构;如功率大于30kw以上常常将石墨筒分成3瓣，通过3个电极引人低压大电流。圆筒状石墨发热体因受石墨棒材(石墨电极)直径的限制，一般为价500左右，制成更大直径的大功率的碳管炉将需特制。

 

筒状石墨发热体

 

    (3)板状石墨发热体，如图1所示，在石墨板上开若干槽子，使电流沿槽路线通过。该发热体灵活性好，可作成单相的，也可作成三相。相比之下，炉子结构和发热体的来源更为容易。

 

板状石墨发热体结构图

 

    (4)石墨布(带)发热体，这是一种新兴的石墨发热体，由于它具有一系列优点，很快受到重视，并得到广泛应用。这种发热体结构简单，拆装方便，辐射面积大，热效率高，有利于炉温均匀度。可根据炉子的结构，采用多条带子组成单相、三相供电。带子的质地柔软，不用考虑热膨胀的影响。其常用的结构如图1所示。发热体的的联结件和炉内的耐高温的石墨结构件，目前均用高强冷压石墨加工。

 

石墨纤维布（带）状发热体结构示意图

 

 

 

2.C/C复合材料发热体可行性及其优势

 

   C/C复合材料是高技术新材料 ，自1958年C/C复合材料问世以来 ，已经经历了35年的发展历程 。C/C的发展大致可分为四个阶段 ：

 

    60年代-C/C工艺基础研究阶段，以化学气相沉积工艺和液相浸渍工艺的出现为代表；

 

    7O年代-烧蚀C/C应用开发阶段，以C/C飞机刹车片和C/C导弹端头帽的应用为代表；

 

    80年代- C/C热结构应用开发阶段，以航天飞机**C/C鼻锥帽和机翼前缘的应用为代表；

 

    90年代- C/C新工艺开发和民用应用阶段 ，致力于降低成本，在高性能燃气涡轮发动机航天器和高温栌 发热体等领域的应用。

 

    C/C复合材料是在碳纤维基础上进行了石墨化增强处理的产品。它具有质量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好等一系列优良性能。与其他材料比较C/C复合材料的优点见表1

 

表1 C/C复合材料优点

 

    除去这些优点，C/C复合材料随着温度的升高，其强度不仅不降低，甚至比在室温下还低，这是由于热膨胀使应力释放和裂纹弥合的效果，这是其他材料无法比拟的的独特性能。石墨电阻发热体是真空炉上主要的发热体，在某些特定的炉型上，由于冷热端的温度差，在冷端和热端交界处会产生裂纹。由于真空炉特殊的密闭结构，在高温状态下无法对损坏的石墨电阻发热体进行更换，真空炉只能在发热体不全的情况下继续工作，此时真空炉的加热效果和炉内的温度均无法保证。许多在氧化气氛下工作的1000-3000℃的高温炉装有石墨发热体，石墨发热体强度低，性脆加工运输困难。C/C复合材料为目前可用于高温达2800℃的高温复合材料，有着和石墨相近的电阻率，因此若采用C/C复合材料为电阻发热体可以有效地缓减由于石墨发热体冷热端的温差导致的冷热端交界处产生的应力断裂，而且根据其特性，可以制成大型薄壁发热元件，更有效的利用炉膛的容积。目前常用的C/C复合材料发热体结构类型如下图所示：

 

   而且C/C复合材料有着良好的加工性能，可以可以相对应的制作出尺寸大，厚度薄的各种尺寸的加热体。

 

 

 

3.研究内容

 

    以嘉峪关澳秦氮化有限公司303#炉用发热体为研究对象，

 

    303#炉发热体为石墨材质，利用冷端截面积大电阻小的原理来实现冷热端的区别，在303#运行时由于在送电时发热体冷端和热端温差较大，冷热交界处在热应力作用下导致发热体断裂。由于303#炉为真空炉，需长期高真空下运行，发生发热体断裂后不能在高温下进行更换。虽然在电路上为数根并联结构，但是一根电极断裂后会造成偏相，容易引发电路故障。因此提高发热体的强度，增加其抵抗内部应力作用的能力，是增加真空炉长期稳定运行的前提条件。

 

   由于碳纤维有着较高的强度，采用碳纤维增强石墨制备成C/C复合材料来做真空炉的发热体，减少由于冷热端交界处热应力引发的断裂，从而保证真空炉的长期稳定运行。本研究需要进行一下几个方面的工作：

 

    （1）对现用石墨发热体的电阻率进行测量，对现有CVI工艺制备的C/C复合材料的电阻率进行测量，对石墨电极和C/C复合材料的常、高温抗折强度进行测量；

 

    （2）根据两种材料的电阻率的关系，设计C/C复合材料发热体的尺寸，使C/C复合材料发热体的电阻与原石墨发热体的电阻相近，若303#炉有发热体安装尺寸与新设计的C/C复合材料发热体尺寸不符，则根据新设计发热体的尺寸对303#炉电极孔进行些许修改；

 

    （3）将新设计的C/C复合材料发热体安装到303#炉上进行实地试验。

 

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