C/C復(fù)合材料發(fā)熱體的應(yīng)用及研究

 

1.石墨電阻發(fā)熱體的的特性及使用現(xiàn)況

 

    目前，作為真空高溫電阻爐發(fā)熱體材料的大體可分為兩大類(lèi)，其一是難熔金屬，其二為石墨發(fā)熱體。20世紀(jì)中葉之后由于出現(xiàn)了一些新型石墨制品，如石墨氈、石墨絨、石墨布及柔性石墨制品等的相繼問(wèn)世；再加上一些科研院所研究了石墨對(duì)被處理材料影響的科研成果，這就使得石墨-這個(gè)來(lái)源豐富、價(jià)格便宜、制造容易的材料得以廣泛應(yīng)用。

 

1.1 石墨電阻發(fā)熱體的特性

 

    (l)高溫強(qiáng)度好，在常溫下石墨的強(qiáng)度遠(yuǎn)比金屬的差，但隨著溫度的升高，其強(qiáng)度逐漸提高，當(dāng)升至1700~1800℃時(shí)，竟然超過(guò)了所有的氧化物和金屬；但是超過(guò)2500℃其機(jī)械強(qiáng)度急劇下降。

 

    (2)石墨具有金屬及陶瓷的某些特性，具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性；又具有多孔性和小的熱膨脹系數(shù)；由于其導(dǎo)熱好和熱膨脹系數(shù)小，這就使石墨成為耐熱震的料之一。

 

    (3)石墨的取材容易，尤其是我國(guó)石墨資源豐富，相對(duì)價(jià)格便宜，不論是發(fā)熱體或是保溫屏(碳?xì)只蚴珰?，其材料費(fèi)和加工費(fèi)大約是鋁發(fā)熱體和隔熱屏的1/4~1/5；與鎢和擔(dān)銳相比更為廉價(jià)。

 

    (4)石墨電阻溫度系數(shù)小，熱慣性小，可以快速加熱和冷卻。在被處理工件沒(méi)有特殊要求的情況下(即對(duì)真空的殘余氣氛中較低濃度碳量不起作用時(shí))作為真空爐發(fā)熱體是很適合的。另外，灼熱的碳發(fā)熱體會(huì)與殘余氣體中氧、水蒸汽發(fā)生反應(yīng)生成CO和CO2，隨時(shí)被真空泵抽走，殘余的氣體是還原性氣氛，如在石墨發(fā)熱體的真空淬火爐中，其真空度只有65Pa左右，而被處理的工件仍可獲得光亮的表面狀態(tài)。這樣便簡(jiǎn)化了真空系統(tǒng)的配置，可大大降低爐子的成本，這是其他任何金屬發(fā)熱體所不能比擬的。

 

    (5)由于石墨纖維編織物(如石墨布、石墨帶等)出現(xiàn)，作為真空爐發(fā)熱體更為理想，其具有耐高溫、不變形、耐沖擊性好、輻射面積大、柔性好、便于加工和安裝等優(yōu)點(diǎn)。另外，從電性能看，石墨布可制成較大電阻的發(fā)熱元件，因而可在相同功率的情況下，提高發(fā)熱元件的電壓，適當(dāng)?shù)亟档土穗娏?，這便可以簡(jiǎn)化電極，減少能耗；從熱性能來(lái)看，增加了輻射面積，便可降低發(fā)熱元件的溫度，也相應(yīng)降低發(fā)熱元件的表面負(fù)荷，減少熱損失，節(jié)約了能源。根據(jù)試驗(yàn)證明，石墨帶發(fā)熱體與石墨棒發(fā)熱體相比，其爐子的空載損失可減少15%左右。

 

(6)石墨材料在真空中的出氣量在很大程度范圍內(nèi)變化，與石墨的種類(lèi)(包括石墨化程度、純度和密度)不同而異。一般石墨材料出氣速率的溫度范圍為800~1300℃。

 

1.2 石墨電阻發(fā)熱體的使用狀況

 

    通常石墨發(fā)熱體有幾種典型結(jié)構(gòu)，可根據(jù)爐子的結(jié)構(gòu)不同進(jìn)行匹配使用。

 

    (1)管、棒石墨發(fā)熱體，在立式爐中，可作成小功率單相圓筒鼠籠狀、大功率三相圓筒鼠籠狀結(jié)構(gòu);在臥式爐中，發(fā)熱體安裝在爐子內(nèi)兩側(cè)平面狀結(jié)構(gòu)，上、下及前后均不再安放發(fā)熱體，但其爐溫均勻度仍較好。使用大直徑發(fā)熱體，如必巧以上的棒材，在加熱到高溫時(shí)，其表面與心部溫度差較大，產(chǎn)生應(yīng)力，影響使用壽命，而應(yīng)采用管狀發(fā)熱體代之。在安裝此類(lèi)發(fā)熱體時(shí)，應(yīng)考慮其受熱時(shí)的長(zhǎng)度熱膨脹，應(yīng)在聯(lián)結(jié)處的一端留有可膨脹的余叱。這種發(fā)熱體材料的來(lái)源方便，成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

 

棒（管）石墨發(fā)熱體

 

    (2)管狀發(fā)熱體，在立式爐中常見(jiàn)，該發(fā)熱體為在圓筒狀石墨管上開(kāi)有兩個(gè)或多個(gè)槽，用以增加發(fā)熱體的有效長(zhǎng)度，一般較小直徑的發(fā)熱體為單相的結(jié)構(gòu);如功率大于30kw以上常常將石墨筒分成3瓣，通過(guò)3個(gè)電極引人低壓大電流。圓筒狀石墨發(fā)熱體因受石墨棒材(石墨電極)直徑的限制，一般為價(jià)500左右，制成更大直徑的大功率的碳管爐將需特制。

 

筒狀石墨發(fā)熱體

 

    (3)板狀石墨發(fā)熱體，如圖1所示，在石墨板上開(kāi)若干槽子，使電流沿槽路線通過(guò)。該發(fā)熱體靈活性好，可作成單相的，也可作成三相。相比之下，爐子結(jié)構(gòu)和發(fā)熱體的來(lái)源更為容易。

 

板狀石墨發(fā)熱體結(jié)構(gòu)圖

 

    (4)石墨布(帶)發(fā)熱體，這是一種新興的石墨發(fā)熱體，由于它具有一系列優(yōu)點(diǎn)，很快受到重視，并得到廣泛應(yīng)用。這種發(fā)熱體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便，輻射面積大，熱效率高，有利于爐溫均勻度?？筛鶕?jù)爐子的結(jié)構(gòu)，采用多條帶子組成單相、三相供電。帶子的質(zhì)地柔軟，不用考慮熱膨脹的影響。其常用的結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)熱體的的聯(lián)結(jié)件和爐內(nèi)的耐高溫的石墨結(jié)構(gòu)件，目前均用高強(qiáng)冷壓石墨加工。

 

石墨纖維布（帶）狀發(fā)熱體結(jié)構(gòu)示意圖

 

 

 

2.C/C復(fù)合材料發(fā)熱體可行性及其優(yōu)勢(shì)

 

   C/C復(fù)合材料是高技術(shù)新材料 ，自1958年C/C復(fù)合材料問(wèn)世以來(lái) ，已經(jīng)經(jīng)歷了35年的發(fā)展歷程 。C/C的發(fā)展大致可分為四個(gè)階段 ：

 

    60年代-C/C工藝基礎(chǔ)研究階段，以化學(xué)氣相沉積工藝和液相浸漬工藝的出現(xiàn)為代表；

 

    7O年代-燒蝕C/C應(yīng)用開(kāi)發(fā)階段，以C/C飛機(jī)剎車(chē)片和C/C導(dǎo)彈端頭帽的應(yīng)用為代表；

 

    80年代- C/C熱結(jié)構(gòu)應(yīng)用開(kāi)發(fā)階段，以航天飛機(jī)**C/C鼻錐帽和機(jī)翼前緣的應(yīng)用為代表；

 

    90年代- C/C新工藝開(kāi)發(fā)和民用應(yīng)用階段 ，致力于降低成本，在高性能燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)航天器和高溫櫨 發(fā)熱體等領(lǐng)域的應(yīng)用。

 

    C/C復(fù)合材料是在碳纖維基礎(chǔ)上進(jìn)行了石墨化增強(qiáng)處理的產(chǎn)品。它具有質(zhì)量輕、模量高、比強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕、吸振性好等一系列優(yōu)良性能。與其他材料比較C/C復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)見(jiàn)表1

 

表1 C/C復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)

 

    除去這些優(yōu)點(diǎn)，C/C復(fù)合材料隨著溫度的升高，其強(qiáng)度不僅不降低，甚至比在室溫下還低，這是由于熱膨脹使應(yīng)力釋放和裂紋彌合的效果，這是其他材料無(wú)法比擬的的獨(dú)特性能。石墨電阻發(fā)熱體是真空爐上主要的發(fā)熱體，在某些特定的爐型上，由于冷熱端的溫度差，在冷端和熱端交界處會(huì)產(chǎn)生裂紋。由于真空爐特殊的密閉結(jié)構(gòu)，在高溫狀態(tài)下無(wú)法對(duì)損壞的石墨電阻發(fā)熱體進(jìn)行更換，真空爐只能在發(fā)熱體不全的情況下繼續(xù)工作，此時(shí)真空爐的加熱效果和爐內(nèi)的溫度均無(wú)法保證。許多在氧化氣氛下工作的1000-3000℃的高溫爐裝有石墨發(fā)熱體，石墨發(fā)熱體強(qiáng)度低，性脆加工運(yùn)輸困難。C/C復(fù)合材料為目前可用于高溫達(dá)2800℃的高溫復(fù)合材料，有著和石墨相近的電阻率，因此若采用C/C復(fù)合材料為電阻發(fā)熱體可以有效地緩減由于石墨發(fā)熱體冷熱端的溫差導(dǎo)致的冷熱端交界處產(chǎn)生的應(yīng)力斷裂，而且根據(jù)其特性，可以制成大型薄壁發(fā)熱元件，更有效的利用爐膛的容積。目前常用的C/C復(fù)合材料發(fā)熱體結(jié)構(gòu)類(lèi)型如下圖所示：

 

   而且C/C復(fù)合材料有著良好的加工性能，可以可以相對(duì)應(yīng)的制作出尺寸大，厚度薄的各種尺寸的加熱體。

 

 

 

3.研究?jī)?nèi)容

 

    以嘉峪關(guān)澳秦氮化有限公司303#爐用發(fā)熱體為研究對(duì)象，

 

    303#爐發(fā)熱體為石墨材質(zhì)，利用冷端截面積大電阻小的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)冷熱端的區(qū)別，在303#運(yùn)行時(shí)由于在送電時(shí)發(fā)熱體冷端和熱端溫差較大，冷熱交界處在熱應(yīng)力作用下導(dǎo)致發(fā)熱體斷裂。由于303#爐為真空爐，需長(zhǎng)期高真空下運(yùn)行，發(fā)生發(fā)熱體斷裂后不能在高溫下進(jìn)行更換。雖然在電路上為數(shù)根并聯(lián)結(jié)構(gòu)，但是一根電極斷裂后會(huì)造成偏相，容易引發(fā)電路故障。因此提高發(fā)熱體的強(qiáng)度，增加其抵抗內(nèi)部應(yīng)力作用的能力，是增加真空爐長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件。

 

   由于碳纖維有著較高的強(qiáng)度，采用碳纖維增強(qiáng)石墨制備成C/C復(fù)合材料來(lái)做真空爐的發(fā)熱體，減少由于冷熱端交界處熱應(yīng)力引發(fā)的斷裂，從而保證真空爐的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。本研究需要進(jìn)行一下幾個(gè)方面的工作：

 

    （1）對(duì)現(xiàn)用石墨發(fā)熱體的電阻率進(jìn)行測(cè)量，對(duì)現(xiàn)有CVI工藝制備的C/C復(fù)合材料的電阻率進(jìn)行測(cè)量，對(duì)石墨電極和C/C復(fù)合材料的常、高溫抗折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量；

 

    （2）根據(jù)兩種材料的電阻率的關(guān)系，設(shè)計(jì)C/C復(fù)合材料發(fā)熱體的尺寸，使C/C復(fù)合材料發(fā)熱體的電阻與原石墨發(fā)熱體的電阻相近，若303#爐有發(fā)熱體安裝尺寸與新設(shè)計(jì)的C/C復(fù)合材料發(fā)熱體尺寸不符，則根據(jù)新設(shè)計(jì)發(fā)熱體的尺寸對(duì)303#爐電極孔進(jìn)行些許修改；

 

    （3）將新設(shè)計(jì)的C/C復(fù)合材料發(fā)熱體安裝到303#爐上進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)。

 

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