碳/碳复合材料在加热炉中的应用及研究

碳/碳复合材料在加热炉中的应用及研究

刘颖，施敏丰，王建卫，张贤根

(中天科技精密材料有限公司，江苏南通226009)

摘要：目前各类石墨产品已普遍运用于石墨加热炉中，而碳/碳复合材料在加热炉中的应用还处在初步阶段，文章结合加热炉生产过程中的特点及现状，提出碳/碳复合材料在加热炉生产过程中应用的技术方案，并对喷涂涂层后碳/碳复合材料的技术优势进行分析。

关键词：加热炉;石墨;碳/碳复合材料

光纤预制棒是制造石英系列光纤的核心原材料，简单地说预制棒就是用丁拉光纤(丝)的玻璃特种预制大棒。目前国际上普遍采用并能制作出优质光纤预制棒的方法主要有以下四种：OVD(棒外化学气相沉积法)、VAD(轴向气相沉积法)、MCVD(改进的化学气相沉积法)、PCVD(等离了体激活化学气相沉积法)，无论采用何种制棒方法，生产过程中均需使用加热炉。

预制棒生产过程中广泛使用加热炉，加热炉内温度最高达2000℃以上。目前加热炉内大量使用发热体、保温筒等石墨类制品，主要包括等静压、挤压、模压类特种石墨制品(密度通常大于1.6g/cm3)和硬毡、软毡类石墨(密度通常小于0.2g/cm3)。特种石墨多用作加热炉内保护管.加热体及其连接件，硬毡、软毡类石墨多用作加热炉内保温筒材料。虽然加热炉内通保护气N2来保持炉内正压或采抽真空来隔绝空气，但是由于各种原因均会有少量氧气进入炉体内部氧化石墨件，加热炉内石墨件氧化而造成损坏的比例达到90%。

碳/碳复合材料( carbon-carbon r.r,mposite maLerial)是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料。具有低密度、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、摩擦性能好，以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点，尤其是其强度随着温度的升高，不仅不会降低反而还可能升高，它是所有已知材料中耐高温性最好的材料，最高理论温度更高达2600℃，因此被认为是最有发展自订途的高温材料之一，因向^它广泛地应用于航天、航空、核能、化工、医用等各个领域。但目前碳/碳复合材料在加热炉生产过程中的应用还处在初步阶段。

一、碳，碳复合材料熊够在加热妒中使用的特点

预制棒生产过程主要有芯棒制备和外包制备两个过程，光纤预制棒的光学特性主要取决于芯棒质量，芯棒制造技术决定产品质量，而光纤预制棒的成本主要取决于外包技术。在芯棒制造过程中最重要的一点就是防止其他无用金属杂质、粉尘进入芯棒，无用金届杂质进入芯棒层后会影响成品光纤质量，增加信号在光纤内传输时的衰减，粉尘进入芯棒会使预制棒拉丝时易发生断裂。碳/碳复合材料本身属于碳基体复合材料不会产生金属杂质，由于本身特性也不会产生粉尘，并且能够在加热炉中、使用，因而碳/碳复合材料能够在预制棒生产过程中广泛使用。

二、碳/碳复合材料在加热炉中的应用

(一) 碳/碳复合材料替代金属连接件

预制棒生产设备由各种材质的零部件组成，包括304、316L不锈钢，45#、Q235钢，A5052防锈铝等等。虽然零部件表而均有防护措施，但是由于预制棒生产过程中会使用和产生氯气、氟化氢、氯化氢等腐蚀性气体，会不可避免地腐蚀金属材料产生锈迹，产生金属杂质，用碳/碳复合材料替代易接触到腐蚀性气体的金属部件就可以减少金属杂质的产生。

(二) 碳/碳复合材料用作电极材料

目前加热炉主要分为石墨加热炉和感应加热炉两种，这两种加热炉均会使用到电极，目前电极材料多采用铜电极，但是由于部分种类加热炉内会使用到氯气或产品生产时产生氯化氢等腐蚀性气体，铜电极易受到腐蚀，因而可以根据碳/碳复合材料的耐腐蚀性，用碳/碳复合材料替代易受腐蚀的那部分铜电极。

(三) 碳/碳复合材料用作发热体材料

目前石墨加热炉发热体多采用等静压特种石墨，但是长时间高温环境下使用后发热体易发生变形，易与炉内其他零部件靠近产牛打火甚至短路现象，利用碳/碳复合材料高强度、低膨胀系数等特性可以用碳/碳复合材料制造发热体。

(二) 碳/碳复合材料用作石墨保护管材料

当前石墨加热炉维护的主要原因是由于石墨保护管损耗、破裂造成的，石墨保护管的寿命直接影响到加热炉的使用效率及维护的频次，利用碳/碳复合材料高强度、低膨胀系数等特性可以用碳/碳复合材料制造石墨保护管，增加石墨加热炉寿命。

三、碳/碳复合材料的抗氧化处理技术

尽管碳/碳复合倒料有诸多优良的高温性能，但它在温度高于400℃的有氧环境中发生氧化反应，导致材料的性能急剧下降。因此，碳/碳复合材料在高温有氧环境下的应用必须有抗氧化处理措施。碳/碳复合材料的抗氧化处理技术主要有内部抗氧化技术和抗氧化涂层技术，内部抗氧化技术即在较低的温度卜(一般lOOOcC以下)可以采取基体改性(基体中加入有机硅、有机钛等，使基体C被SiC和TiC取代)和表面活性点的钝化对碳/碳复合材料进行保护;随着温度的升高，则必须采用涂层的方法来隔绝碳/碳复合材料与氧的直接接触，以达到氧化防护的目的。目前使用最多的是涂层的方法，随着技术的不断进步，对碳/碳复合材料超高温性能的依赖越来越多，而在超高温条件下唯一可行的氧化防护方案只能是涂层防护。

四、结束语

碳/碳复合材料由于自身的各种高性能可以广泛的使用与预制棒的生产过程中，特别是经过抗氧化处理后的碳，碳复合材料性能得到进一步提升，能够大大减少预制棒生产过程中加热炉的维护成本、维护工作量并且能够提升预制棒产品的产品质量。

参考文献：

[1]何方容，魏忠诚.光纤预制棒制造技术最新发展趋势[J].光通信研究，2002，10( 05): 44-47.

[2]陈少杰，张教强，郭银明.碳/碳复合材料高温抗氧化涂层的研究进展[J].腐蚀与防护，2009，30 (10)：738-741.

[3]张慧茹.碳/碳复合材料概述[J].合成纤维SFC，2010, 21( 10)：1-7.

作者简介：

刘颖 施敏丰 王建卫 张贤根，中天科技精密材料有限公司。