一种碳陶摩擦材料的气相渗硅装置的制作方法

1.本实用新型涉及碳陶复合材料制备装置技术领域，特别是涉及一种碳陶摩擦材料的气相渗硅装置。


背景技术：

2.碳陶复合材料具有密度低、耐磨、摩擦系数高、制动平稳、抗腐蚀、抗氧化、耐高温、环境适应性强(如湿态下摩擦因素不衰退)和寿命长等优点，是一种较为理想的新型高性能摩擦材料。
3.目前制备碳陶复合材料的工艺主要有4种：先驱体浸渍－裂解工艺(pip)、化学气相渗透工艺(cvi)、液相渗硅反应烧结工艺(lsi)和气相渗硅反应烧结工艺(gsi)。气相渗硅反应烧结工艺具有组成可调节、性能可设计、后加工容易实现等优点。气相渗硅反应大致分成两个阶段：第一阶段，硅蒸汽接触到碳纤维后，吸附并发生化学反应形成碳化硅，包裹住纤维的表面形成薄层后反应进行下一阶段；阶段二，反应由碳和硅在碳化硅层中扩散反应，随着碳化硅层厚度增加和反应空间不断减少，反应速率减缓直至停止，未反应的硅基体残留下来。
4.目前的气相渗硅装置的硅蒸汽都是从下往上蒸发，也就是工件的底面的硅蒸汽是最先接触且接触量最大，工件的底面反应速率最快，反应停止后，其残留的硅基体也最多。工件不同位置的硅渗入量不均一，容易造成制备的碳陶复合材料组分不均匀，使用时易开裂的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题是：提供一种使得硅蒸汽与工件接触更加均匀的碳陶摩擦材料的气相渗硅装置，使得制备出来的碳陶复合材料组分含量均衡，具有摩擦稳定性高等优点。
6.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种碳陶摩擦材料的气相渗硅装置，包括反应容器、支撑杆以及盖体，所述盖体盖设于所述反应容器的开口处，以使所述反应容器形成密封空间，所述反应容器的内部设有用于隔分出渗透腔和蒸发腔的分区板，所述分区板从底面往开口方向延伸，所述渗透腔位于两侧所述蒸发腔之间，所述分区板设有若干个用于连通所述渗透腔和所述蒸发腔的通孔，所述支撑杆跨设于两侧所述分区板之间，以支撑工件腾空置于所述渗透腔中。
7.作为优选方案，所述通孔的内径大于所述支撑杆的内径，所述支撑杆跨设于两侧所述分区板的所述通孔上。
8.作为优选方案，所述反应容器的内部四周均设有分区板，以使所述反应容器形成四个所述蒸发腔。
9.作为优选方案，相邻两个所述蒸发腔设有隔板。
10.作为优选方案，所述隔板与所述反应容器的侧壁之间夹角为45
°
，以使所述蒸发腔
的横截面呈梯形。
11.作为优选方案，所述通孔分布于所述分区板的顶部及中部。
12.作为优选方案，所述分区板的高度小于所述反应容器的高度，当所述盖体处于盖合状态时，所述分区板与所述盖体之间形成用于通气的缝隙。
13.作为优选方案，所述支撑杆的数量为两条以上，各所述支撑杆互相平行，各所述支撑杆形成用于支撑工件的支撑平面。
14.作为优选方案，所述反应容器和所述盖体为石墨坩埚，所述支撑杆为石墨棒。
15.作为优选方案，还包括锅炉，所述反应容器和所述盖体均位于所述锅炉内，所述锅炉的炉壁设有抽气孔，所述工件为汽车或者轨道交通系统的制动部件。
16.本实用新型所提供的一种碳陶摩擦材料的气相渗硅装置与现有技术相比，其有益效果在于：
17.本实用新型利用所述反应容器和所述盖体配合形成密封的反应空间，在所述反应容器内部设有分区板，将其分隔成所述渗透腔和是蒸发腔，将工件置于所述支撑杆上，所述支撑杆跨设于两侧所述分区板之间，使得工件以腾空状态置于所述渗透腔中，将硅颗粒放置于蒸发腔中，硅颗粒被加热至熔融状态后，形成蒸汽，气态硅在所述蒸发腔从下往上蒸发，再通过所述通孔进入所述渗透腔，与工件相对的侧面相接触反应，即工件的不同平面能够同时渗入足量的气态硅与部分碳基体反应，反应过程更加均匀，使得制备出来的碳陶复合材料组分含量均衡，具有摩擦稳定性高等优点。
附图说明
18.图1是本实用新型优选实施例的碳陶摩擦材料的气相渗硅装置的内部结构示意图。
19.图2是本实用新型优选实施例的碳陶摩擦材料的气相渗硅装置的使用状态剖面图。
20.图3是本实用新型优选实施例的碳陶摩擦材料的气相渗硅装置的另一使用状态剖面图。
21.图中：1.反应容器；2.支撑杆；3.盖体；4.渗透腔；5.蒸发腔；6.分区板；7.通孔；8.工件；9.硅颗粒；10.隔板；11.缝隙。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
23.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
24.在本实用新型的描述中，应当理解的是，本实用新型中采用术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是焊接连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
25.如图1至图3所示，本实用新型优先实施例提供了一种碳陶摩擦材料的气相渗硅装置，包括反应容器1、支撑杆2以及盖体3，所述盖体3盖设于所述反应容器1的开口处，以使所述反应容器1形成密封空间，所述反应容器1的内部设有用于隔分出渗透腔4和蒸发腔5的分区板6，所述分区板6从底面往开口方向延伸，所述渗透腔4位于两侧所述蒸发腔5之间，所述分区板6设有若干个用于连通所述渗透腔4和所述蒸发腔5的通孔7，所述支撑杆2跨设于两侧所述分区板6之间，以支撑工件8腾空置于所述渗透腔4中。
26.基于上述技术特征的气相渗硅装置，所述反应容器1和所述盖体3配合形成密封的反应空间，在所述反应容器1内部设有分区板6，将其分隔成所述渗透腔4和是蒸发腔5，将工件8置于所述支撑杆2上，所述支撑杆2跨设于两侧所述分区板6之间，使得工件8以腾空状态置于所述渗透腔4中，将硅颗粒9放置于蒸发腔5中，硅颗粒9被加热至熔融状态后，形成蒸汽，气态硅在所述蒸发腔5从下往上蒸发，通过所述通孔7进入所述渗透腔4，与工件8相对的侧面相接触反应，即工件8的不同平面能够同时渗入足量的气态硅与部分碳基体反应，所述通孔7起到引导作用，使得反应过程更加均匀，使得制备出来的碳陶复合材料组分含量均衡，具有摩擦稳定性高等优点。
27.其中，所述工件8为碳制工件8，可以是汽车的环形状刹车盘，也可以是高速列车闸瓦及磁悬浮列车滑橇等等。在反应过程中，当工件8的底面面积较大时，所述渗透腔4的底面也可以放置少量硅颗粒9，使得足量的气态硅渗透进工件8的底面。
28.在本实施例中，所述通孔7的内径大于所述支撑杆2的内径，所述支撑杆2跨设于两侧所述分区板6的所述通孔7上，无需另外设置固定支撑杆2的部件。而且能够根据不同工件8的大小调整所述支撑杆2放置的位置，操作更加便捷。所述通孔7的内径较大，在反应过程中，气态硅也能通过该通孔7进入渗透腔4，不会造成阻挡，确保工件8的侧面进行均匀的渗透反应。
29.在本实施例中，所述反应容器1的内部四周均设有分区板6，以使所述反应容器1形成四个所述蒸发腔5，当工件8四周侧面的面积较大时，需要在四周的所述蒸发腔5都放置硅颗粒9，保证工件8的四周侧面都可以进行均匀的渗透反应。
30.进一步的，相邻两个所述蒸发腔5设有隔板10，避免不同的蒸发腔5的硅蒸汽乱窜，使得气态硅只能从下往上蒸发。所述隔板10与所述反应容器1的侧壁之间夹角为45
°
，以使所述蒸发腔5的横截面呈梯形，便于生产制造。其中，所述反应容器1、所述分区板6和所述隔板10采用一体成型制造。
31.在本实施例中，所述通孔7分布于所述分区板6的顶部及中部，也就是所述分区板6的底部不需要设置通孔7，避免过多的气态硅进入所述渗透腔4的底部。若工件8的底面面积较大，可以在所述渗透腔4的底面放置少量硅颗粒9进行解决。
32.在本实施例中，所述分区板6的高度小于所述反应容器1的高度，当所述盖体3处于盖合状态时，所述分区板6与所述盖体3之间形成用于通气的缝隙11。当形成大量硅蒸汽后，气态硅可以从所述缝隙11进入所述渗透腔4中，与工件8的顶面进行渗透反应，对工件8进行全方位渗透反应，具有均匀性好，整体过程反应时间短等优点。
33.在本实施例中，如图1和图2所示，当工件8为刹车盘这类圆环形时，所述支撑杆2可
以采用一根，将圆环吊住呈腾空状态即可。如图3所示，当工件8是其他无法吊住的形状时，所述支撑杆2采用的数量为两条以上，各所述支撑杆2互相平行设置，使得各所述支撑杆2形成用于支撑工件8的支撑平面，也就是工件8直接放置于支撑平面上，这种情况可以选择直径更小的支撑杆2。
34.在本实施例中，所述反应容器1和所述盖体3为石墨坩埚，所述支撑杆2为石墨棒。石墨坩埚和石墨棒性质稳定，耐高温，且工件8均为碳制工件8，不易对碳制工件8的成分产生影响。
35.在本实施例中，所述气相渗硅装置还包括锅炉(附图未标识)，用于高温加热，所述反应容器1和所述盖体3均位于所述锅炉内，所述锅炉的炉壁设有抽气孔，在锅炉达到反应温度时抽气，使得炉内压力小于硅的饱和蒸汽压，实现硅的沸腾蒸发，能够充分渗透。能够理解的是，制备出来的碳陶摩擦材料能够作为汽车或者轨道交通系统的制动部件，例如汽车制动盘(片)、高速列车闸瓦及磁悬浮列车滑橇等等。
36.本实施例的气相渗硅装置一般操作过程为：在所述蒸发腔5和所述渗透腔4放置足够的硅颗粒9，将石墨棒架设于所述通孔7上，使得碳制工件8腾空于渗透腔4内，盖好盖体3，整体送入锅炉进行气相渗透。
37.综上，本实用新型实施例提供一种碳陶摩擦材料的气相渗硅装置具有以下优点：(1)能够全方位对碳制工件8的不同平面进行同步渗透反应，反应过程更加均匀，使得制备出来的碳陶复合材料组分含量均衡；(2)反应的密闭空间内只有石墨部件，性质稳定，耐高温，不易对碳制工件8的成分产生影响；(3)能够适用不同形状的碳制工件8，通用性高，多次重复使用。
38.上方所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。