專利名稱：一種制備大尺寸機(jī)械密封用各向同性熱解炭材料的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及機(jī)械密封材料的制備技術(shù)，具體為一種制備大尺寸機(jī)械密封用各向同性熱解炭材料的設(shè)備。
背景技術(shù)：
各向同性熱解炭(Isotropic pyrolytic carbon)材料是利用化學(xué)氣相沉積方法(chemical vapor deposition--CVD)制備的一種高性能碳質(zhì)材料，由于其結(jié)構(gòu)致密、晶粒尺寸小，因此除具備一般碳質(zhì)材料的耐高溫、潤(rùn)滑、耐磨損、生物相容性好等共性優(yōu)點(diǎn)外，還具有強(qiáng)度高、不透氣、可加工性能優(yōu)良等特點(diǎn)，不需任何浸漬等后處理就可直接用做高性能機(jī)械密封組件，其強(qiáng)度、耐磨、密封性能、生物相容性、可加工性能等都大大優(yōu)于傳統(tǒng)碳質(zhì)材料。目前這種新型炭材料作為涂層材料已在原子能工業(yè)和生物工程中得到廣泛應(yīng)用。但由于通常采用小型流化床工藝或轉(zhuǎn)動(dòng)床工藝，受到反應(yīng)器尺寸小、沉積時(shí)間短、沉積條件不穩(wěn)定等條件的制約，只能制備直徑小于30毫米，厚度小于2毫米的各向同性熱解炭涂層，限制了各向同性熱解炭材料作為機(jī)械密封材料在航天、航空、船舶等領(lǐng)域的應(yīng)用。
實(shí)用新型內(nèi)容為了克服上述不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種能夠生產(chǎn)大尺寸機(jī)械密封用各向同性熱解炭材料的設(shè)備。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種制備大尺寸機(jī)械密封用各向同性熱解炭材料的設(shè)備，具有中頻感應(yīng)電源、水冷系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、沉積裝置、氣體流量控制和尾氣處理系統(tǒng)，其特征在于所述沉積裝置為石墨錐形流化床沉積裝置，沉積裝置的反應(yīng)器上裝有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的沉積基體安裝于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主軸上，反應(yīng)器上方設(shè)有粒子添加器，與反應(yīng)器連通，反應(yīng)器下方設(shè)有粒子搜集器，與反應(yīng)器連通，反應(yīng)器下端開口處設(shè)有氣體分配板，氣體分配板中心設(shè)有倒錐形開口。
所述沉積裝置的反應(yīng)器內(nèi)徑為180-300毫米。
所述氣體分配板的錐角α為30-45度。
所述粒子添加器開有氣體進(jìn)口。
所述粒子搜集器開有氣體進(jìn)口。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)及有益效果是本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了沉積基體旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、粒子添加器和粒子搜集器。這些設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了各向同性熱解炭材料在沉積基體上的連續(xù)、穩(wěn)態(tài)和長(zhǎng)時(shí)間沉積，為制備大尺寸機(jī)械密封用各向同性熱解炭材料奠定了基礎(chǔ)。


圖1為本實(shí)用新型設(shè)備示意圖。
圖2為本實(shí)用新型大型穩(wěn)態(tài)流化床沉積裝置示意圖。
圖3為Φ108毫米×φ118毫米×20毫米的各向同性熱解炭材料環(huán)。
圖4為各向同性熱解炭材料正交偏光200倍金相照片。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型設(shè)備利用化學(xué)氣相沉積工藝制備各向同性熱解炭材料。圖1是設(shè)備示意圖，主要分為中頻感應(yīng)電源、水冷系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、沉積裝置、氣體流量控制和尾氣處理系統(tǒng)六部分。2500Hz中頻感應(yīng)電源通過感應(yīng)線圈2對(duì)沉積裝置進(jìn)行加熱，用光電高溫計(jì)、溫控系統(tǒng)測(cè)量和調(diào)控沉積溫度。沉積裝置是石墨錐形流化床沉積裝置。碳?xì)錃怏w為甲烷、丙烷、丙烯或乙烯等，稀釋和載帶氣體為氫氣、氬氣或氮?dú)獾?，氣體的流量由流量計(jì)和針閥測(cè)量控制。生產(chǎn)時(shí)需要水冷系統(tǒng)對(duì)電源和沉積裝置進(jìn)行冷卻。反應(yīng)產(chǎn)生的尾氣由尾氣處理系統(tǒng)處理。
該設(shè)備的核心是我們開發(fā)的大型穩(wěn)態(tài)流化床沉積裝置，如圖2所示。反應(yīng)器6內(nèi)徑為180-300毫米，反應(yīng)器6下端開口處設(shè)有氣體分配板7，氣體分配板7中心設(shè)有倒錐形開口，氣體分配板7錐角α為30-45度，其作用是實(shí)現(xiàn)床層粒子流態(tài)化。由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的沉積基體安裝于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主軸上，沉積基體4通過速度可控的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。碳?xì)錃怏w和載氣吹動(dòng)直徑為0.4-1.5毫米的Al2O3或ZrO2空心球(床層粒子)在反應(yīng)器內(nèi)形成流態(tài)化。碳?xì)錃怏w在高溫下裂解，在沉積基體4上沉積生成各向同性熱解炭材料。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3解決了大尺寸沉積基體在反應(yīng)器中的放置問題，保證了沉積基體在沉積過程中始終處于流態(tài)化床層粒子5的包圍之中。在沉積過程中通過反應(yīng)器6下部的粒子搜集器8和反應(yīng)器6上部的粒子添加器1來實(shí)現(xiàn)床層粒子的穩(wěn)定更換，通過粒子添加器1和粒子搜集器8可以連續(xù)的向流化床內(nèi)加入或放出床層粒子5，進(jìn)粒子量通過調(diào)節(jié)粒子添加器1電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)，粒子添加器1開有氣體進(jìn)口，進(jìn)粒子量通過調(diào)節(jié)粒子添加器1的氣流(氫氣、氬氣或氮?dú)獾?來調(diào)節(jié)，粒子搜集器8開有氣體進(jìn)口，出粒子量通過調(diào)節(jié)粒子搜集器8的氣流(氫氣、氬氣或氮?dú)獾?來調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)的保持床層面積、流態(tài)化狀態(tài)等工藝參數(shù)的穩(wěn)定。通過以上的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了各向同性熱解炭材料在該裝置中的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定沉積，從而可獲得最大直徑為170毫米，最大厚度為15毫米的各向同性熱解炭材料。
圖3是利用該設(shè)備制備得到的環(huán)狀各向同性熱解炭材料樣品的宏觀照片。其規(guī)格為內(nèi)徑×外徑×高度為Φ108毫米×Φ118毫米×20毫米。
圖4是各向同性熱解炭材料的偏光金相照片，材料均勻致密，具有非光學(xué)活性。
權(quán)利要求1.一種制備大尺寸機(jī)械密封用各向同性熱解炭材料的設(shè)備，具有中頻感應(yīng)電源、水冷系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、沉積裝置、氣體流量控制和尾氣處理系統(tǒng)，其特征在于所述沉積裝置為石墨錐形流化床沉積裝置，沉積裝置的反應(yīng)器(6)上裝有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(3)，由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的沉積基體(4)安裝于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主軸上，反應(yīng)器(6)上方設(shè)有粒子添加器(1)，與反應(yīng)器(6)連通，反應(yīng)器(6)下方設(shè)有粒子搜集器(8)，與反應(yīng)器(6)連通，反應(yīng)器(6)下端開口處設(shè)有氣體分配板(7)，氣體分配板(7)中心設(shè)有倒錐形開口。
2.按照權(quán)利要求1所述制備大尺寸機(jī)械密封用各向同性熱解炭材料的設(shè)備，其特征在于所述沉積裝置的反應(yīng)器內(nèi)徑為180-300毫米。
3.按照權(quán)利要求1所述制備大尺寸機(jī)械密封用各向同性熱解炭材料的設(shè)備，其特征在于所述氣體分配板的錐角α為30-45度。
4.按照權(quán)利要求1所述制備大尺寸機(jī)械密封用各向同性熱解炭材料的設(shè)備，其特征在于所述粒子添加器開有氣體進(jìn)口。
5.按照權(quán)利要求1所述制備大尺寸機(jī)械密封用各向同性熱解炭材料的設(shè)備，其特征在于所述粒子搜集器開有氣體進(jìn)口。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種制備大尺寸機(jī)械密封用各向同性熱解炭材料的設(shè)備，具有中頻感應(yīng)電源、水冷系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、沉積裝置、氣體流量控制和尾氣處理系統(tǒng)，所述沉積裝置為石墨錐形流化床沉積裝置，沉積裝置的反應(yīng)器上裝有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的沉積基體安裝于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主軸上，反應(yīng)器上方設(shè)有粒子添加器，與反應(yīng)器連通，反應(yīng)器下方設(shè)有粒子搜集器，與反應(yīng)器連通，反應(yīng)器下端開口處設(shè)有氣體分配板，氣體分配板中心設(shè)有倒錐形開口。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了沉積基體旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、粒子添加器和粒子搜集器。這些設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了各向同性熱解炭材料在沉積基體上的連續(xù)、穩(wěn)態(tài)和長(zhǎng)時(shí)間沉積，為制備大尺寸機(jī)械密封用各向同性熱解炭材料奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)C23C16/26GK2753743SQ20042011364
公開日2006年1月25日 申請(qǐng)日期2004年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月24日
發(fā)明者白朔, 徐紅軍, 吳峻峰, 周序科, 周金玉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所