碳/碳復合材料在加熱爐中的應用及研究

劉穎，施敏豐，王建衛，張賢根

(中天科技精密材料有限公司，江蘇南通226009)

摘要：目前各類石墨產品已普遍運用于石墨加熱爐中，而碳/碳復合材料在加熱爐中的應用還處在初步階段，文章結合加熱爐生產過程中的特點及現狀，提出碳/碳復合材料在加熱爐生產過程中應用的技術方案，并對噴涂涂層后碳/碳復合材料的技術優勢進行分析。

關鍵詞：加熱爐;石墨;碳/碳復合材料

光纖預制棒是制造石英系列光纖的核心原材料，簡單地說預制棒就是用丁拉光纖(絲)的玻璃特種預制大棒。目前國際上普遍采用并能制作出優質光纖預制棒的方法主要有以下四種：OVD(棒外化學氣相沉積法)、VAD(軸向氣相沉積法)、MCVD(改進的化學氣相沉積法)、PCVD(等離了體激活化學氣相沉積法)，無論采用何種制棒方法，生產過程中均需使用加熱爐。

預制棒生產過程中廣泛使用加熱爐，加熱爐內溫度最高達2000℃以上。目前加熱爐內大量使用發熱體、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保護管.加熱體及其連接件，硬氈、軟氈類石墨多用作加熱爐內保溫筒材料。雖然加熱爐內通保護氣N2來保持爐內正壓或采抽真空來隔絕空氣，但是由于各種原因均會有少量氧氣進入爐體內部氧化石墨件，加熱爐內石墨件氧化而造成損壞的比例達到90%。

碳/碳復合材料( carbon-carbon r.r,mposite maLerial)是碳纖維及其織物增強的碳基體復合材料。具有低密度、高強度、高比模量、高導熱性、低膨脹系數、摩擦性能好，以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩定性高等優點，尤其是其強度隨著溫度的升高，不僅不會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2600℃，因此被認為是最有發展自訂途的高溫材料之一，因向^它廣泛地應用于航天、航空、核能、化工、醫用等各個領域。但目前碳/碳復合材料在加熱爐生產過程中的應用還處在初步階段。

一、碳，碳復合材料熊夠在加熱妒中使用的特點

預制棒生產過程主要有芯棒制備和外包制備兩個過程，光纖預制棒的光學特性主要取決于芯棒質量，芯棒制造技術決定產品質量，而光纖預制棒的成本主要取決于外包技術。在芯棒制造過程中最重要的一點就是防止其他無用金屬雜質、粉塵進入芯棒，無用金屆雜質進入芯棒層后會影響成品光纖質量，增加信號在光纖內傳輸時的衰減，粉塵進入芯棒會使預制棒拉絲時易發生斷裂。碳/碳復合材料本身屬于碳基體復合材料不會產生金屬雜質，由于本身特性也不會產生粉塵，并且能夠在加熱爐中、使用，因而碳/碳復合材料能夠在預制棒生產過程中廣泛使用。

二、碳/碳復合材料在加熱爐中的應用

(一) 碳/碳復合材料替代金屬連接件

預制棒生產設備由各種材質的零部件組成，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措施，但是由于預制棒生產過程中會使用和產生氯氣、氟化氫、氯化氫等腐蝕性氣體，會不可避免地腐蝕金屬材料產生銹跡，產生金屬雜質，用碳/碳復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的產生。

(二) 碳/碳復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加熱爐兩種，這兩種加熱爐均會使用到電極，目前電極材料多采用銅電極，但是由于部分種類加熱爐內會使用到氯氣或產品生產時產生氯化氫等腐蝕性氣體，銅電極易受到腐蝕，因而可以根據碳/碳復合材料的耐腐蝕性，用碳/碳復合材料替代易受腐蝕的那部分銅電極。

(三) 碳/碳復合材料用作發熱體材料

目前石墨加熱爐發熱體多采用等靜壓特種石墨，但是長時間高溫環境下使用后發熱體易發生變形，易與爐內其他零部件靠近產牛打火甚至短路現象，利用碳/碳復合材料高強度、低膨脹系數等特性可以用碳/碳復合材料制造發熱體。

(二) 碳/碳復合材料用作石墨保護管材料

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

三、碳/碳復合材料的抗氧化處理技術

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

四、結束語

碳/碳復合材料由于自身的各種高性能可以廣泛的使用與預制棒的生產過程中，特別是經過抗氧化處理后的碳，碳復合材料性能得到進一步提升，能夠大大減少預制棒生產過程中加熱爐的維護成本、維護工作量并且能夠提升預制棒產品的產品質量。

參考文獻：

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作者簡介：

劉穎 施敏豐 王建衛 張賢根，中天科技精密材料有限公司。