碳/碳復(fù)合材料在加熱爐中的應(yīng)用及研究

劉穎，施敏豐，王建衛(wèi)，張賢根

(中天科技精密材料有限公司，江蘇南通226009)

摘要：目前各類石墨產(chǎn)品已普遍運(yùn)用于石墨加熱爐中，而碳/碳復(fù)合材料在加熱爐中的應(yīng)用還處在初步階段，文章結(jié)合加熱爐生產(chǎn)過(guò)程中的特點(diǎn)及現(xiàn)狀，提出碳/碳復(fù)合材料在加熱爐生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用的技術(shù)方案，并對(duì)噴涂涂層后碳/碳復(fù)合材料的技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：加熱爐;石墨;碳/碳復(fù)合材料

光纖預(yù)制棒是制造石英系列光纖的核心原材料，簡(jiǎn)單地說(shuō)預(yù)制棒就是用丁拉光纖(絲)的玻璃特種預(yù)制大棒。目前國(guó)際上普遍采用并能制作出優(yōu)質(zhì)光纖預(yù)制棒的方法主要有以下四種：OVD(棒外化學(xué)氣相沉積法)、VAD(軸向氣相沉積法)、MCVD(改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法)、PCVD(等離了體激活化學(xué)氣相沉積法)，無(wú)論采用何種制棒方法，生產(chǎn)過(guò)程中均需使用加熱爐。

預(yù)制棒生產(chǎn)過(guò)程中廣泛使用加熱爐，加熱爐內(nèi)溫度最高達(dá)2000℃以上。目前加熱爐內(nèi)大量使用發(fā)熱體、保溫筒等石墨類制品，主要包括等靜壓、擠壓、模壓類特種石墨制品(密度通常大于1.6g/cm3)和硬氈、軟氈類石墨(密度通常小于0.2g/cm3)。特種石墨多用作加熱爐內(nèi)保護(hù)管.加熱體及其連接件，硬氈、軟氈類石墨多用作加熱爐內(nèi)保溫筒材料。雖然加熱爐內(nèi)通保護(hù)氣N2來(lái)保持爐內(nèi)正壓或采抽真空來(lái)隔絕空氣，但是由于各種原因均會(huì)有少量氧氣進(jìn)入爐體內(nèi)部氧化石墨件，加熱爐內(nèi)石墨件氧化而造成損壞的比例達(dá)到90%。

碳/碳復(fù)合材料( carbon-carbon r.r,mposite maLerial)是碳纖維及其織物增強(qiáng)的碳基體復(fù)合材料。具有低密度、高強(qiáng)度、高比模量、高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)、摩擦性能好，以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，尤其是其強(qiáng)度隨著溫度的升高，不僅不會(huì)降低反而還可能升高，它是所有已知材料中耐高溫性最好的材料，最高理論溫度更高達(dá)2600℃，因此被認(rèn)為是最有發(fā)展自訂途的高溫材料之一，因向^它廣泛地應(yīng)用于航天、航空、核能、化工、醫(yī)用等各個(gè)領(lǐng)域。但目前碳/碳復(fù)合材料在加熱爐生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用還處在初步階段。

一、碳，碳復(fù)合材料熊夠在加熱妒中使用的特點(diǎn)

預(yù)制棒生產(chǎn)過(guò)程主要有芯棒制備和外包制備兩個(gè)過(guò)程，光纖預(yù)制棒的光學(xué)特性主要取決于芯棒質(zhì)量，芯棒制造技術(shù)決定產(chǎn)品質(zhì)量，而光纖預(yù)制棒的成本主要取決于外包技術(shù)。在芯棒制造過(guò)程中最重要的一點(diǎn)就是防止其他無(wú)用金屬雜質(zhì)、粉塵進(jìn)入芯棒，無(wú)用金屆雜質(zhì)進(jìn)入芯棒層后會(huì)影響成品光纖質(zhì)量，增加信號(hào)在光纖內(nèi)傳輸時(shí)的衰減，粉塵進(jìn)入芯棒會(huì)使預(yù)制棒拉絲時(shí)易發(fā)生斷裂。碳/碳復(fù)合材料本身屬于碳基體復(fù)合材料不會(huì)產(chǎn)生金屬雜質(zhì)，由于本身特性也不會(huì)產(chǎn)生粉塵，并且能夠在加熱爐中、使用，因而碳/碳復(fù)合材料能夠在預(yù)制棒生產(chǎn)過(guò)程中廣泛使用。

二、碳/碳復(fù)合材料在加熱爐中的應(yīng)用

(一) 碳/碳復(fù)合材料替代金屬連接件

預(yù)制棒生產(chǎn)設(shè)備由各種材質(zhì)的零部件組成，包括304、316L不銹鋼，45#、Q235鋼，A5052防銹鋁等等。雖然零部件表而均有防護(hù)措施，但是由于預(yù)制棒生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)使用和產(chǎn)生氯氣、氟化氫、氯化氫等腐蝕性氣體，會(huì)不可避免地腐蝕金屬材料產(chǎn)生銹跡，產(chǎn)生金屬雜質(zhì)，用碳/碳復(fù)合材料替代易接觸到腐蝕性氣體的金屬部件就可以減少金屬雜質(zhì)的產(chǎn)生。

(二) 碳/碳復(fù)合材料用作電極材料

目前加熱爐主要分為石墨加熱爐和感應(yīng)加熱爐兩種，這兩種加熱爐均會(huì)使用到電極，目前電極材料多采用銅電極，但是由于部分種類加熱爐內(nèi)會(huì)使用到氯氣或產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生氯化氫等腐蝕性氣體，銅電極易受到腐蝕，因而可以根據(jù)碳/碳復(fù)合材料的耐腐蝕性，用碳/碳復(fù)合材料替代易受腐蝕的那部分銅電極。

(三) 碳/碳復(fù)合材料用作發(fā)熱體材料

目前石墨加熱爐發(fā)熱體多采用等靜壓特種石墨，但是長(zhǎng)時(shí)間高溫環(huán)境下使用后發(fā)熱體易發(fā)生變形，易與爐內(nèi)其他零部件靠近產(chǎn)牛打火甚至短路現(xiàn)象，利用碳/碳復(fù)合材料高強(qiáng)度、低膨脹系數(shù)等特性可以用碳/碳復(fù)合材料制造發(fā)熱體。

(二) 碳/碳復(fù)合材料用作石墨保護(hù)管材料

當(dāng)前石墨加熱爐維護(hù)的主要原因是由于石墨保護(hù)管損耗、破裂造成的，石墨保護(hù)管的壽命直接影響到加熱爐的使用效率及維護(hù)的頻次，利用碳/碳復(fù)合材料高強(qiáng)度、低膨脹系數(shù)等特性可以用碳/碳復(fù)合材料制造石墨保護(hù)管，增加石墨加熱爐壽命。

三、碳/碳復(fù)合材料的抗氧化處理技術(shù)

盡管碳/碳復(fù)合倒料有諸多優(yōu)良的高溫性能，但它在溫度高于400℃的有氧環(huán)境中發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致材料的性能急劇下降。因此，碳/碳復(fù)合材料在高溫有氧環(huán)境下的應(yīng)用必須有抗氧化處理措施。碳/碳復(fù)合材料的抗氧化處理技術(shù)主要有內(nèi)部抗氧化技術(shù)和抗氧化涂層技術(shù)，內(nèi)部抗氧化技術(shù)即在較低的溫度卜(一般lOOOcC以下)可以采取基體改性(基體中加入有機(jī)硅、有機(jī)鈦等，使基體C被SiC和TiC取代)和表面活性點(diǎn)的鈍化對(duì)碳/碳復(fù)合材料進(jìn)行保護(hù);隨著溫度的升高，則必須采用涂層的方法來(lái)隔絕碳/碳復(fù)合材料與氧的直接接觸，以達(dá)到氧化防護(hù)的目的。目前使用最多的是涂層的方法，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)碳/碳復(fù)合材料超高溫性能的依賴越來(lái)越多，而在超高溫條件下唯一可行的氧化防護(hù)方案只能是涂層防護(hù)。

四、結(jié)束語(yǔ)

碳/碳復(fù)合材料由于自身的各種高性能可以廣泛的使用與預(yù)制棒的生產(chǎn)過(guò)程中，特別是經(jīng)過(guò)抗氧化處理后的碳，碳復(fù)合材料性能得到進(jìn)一步提升，能夠大大減少預(yù)制棒生產(chǎn)過(guò)程中加熱爐的維護(hù)成本、維護(hù)工作量并且能夠提升預(yù)制棒產(chǎn)品的產(chǎn)品質(zhì)量。

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作者簡(jiǎn)介：

劉穎 施敏豐 王建衛(wèi) 張賢根，中天科技精密材料有限公司。