碳素纤维隔热材料的性能与应用

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1、第阴届中国热处理活动刷暨第九届江苏省热处理年会论文集(2006年5月，南京)碳素纤维隔热材料的性能与应用周文蔚(上海吴羽化学有限公司，上海201821)自从1959年美国UCC公司开发并：f业化生产通朋级黏胶基(Rayon)碳素纤维以来，碳素纤维的jI：业化应用已经历了40个年头。同时，聚丙烯晴基(PAN)碳素纤维随着其：I二业化生产的不断升级也越来越多地在各种领域中被广泛地应用，全球产量已超过了20000吨／年，且各主要厂商还在不断地投资设备增加产能。沥青基(Pitch)碳素纤维在整个家族中的产量与PAN基产品相

2、比较还很小，但由于它拥有其他类碳素纤维所没有的特性所以人们对它的研究和开发正不断地进行，期待它能再跟大的市场中得到更有效的利用。碳素材料的研究和开发是伴随着航空航天，军事用途的发展而方兴未艾，它显著的耐高温性能正是当初为科学家们所关注的一个重要特点。但是作为一般的：‘I：业应用上其本身的良导热性能给人的印象以及高成本一直是限制其普及应用的因素。随着陶瓷，半导体，金属等领域的技术提升，4O对隔热材料的要求也日益提高。而碳素纤维隔热材被厂‘泛使用。碳素纤维与金属，陶瓷纤维相比较不N“35料由于其高隔热性能，质量轻等众多

3、优点被人们深CarbonFiber入认识到，所以如表1所示它已经在各种工业炉中3O252O◆一同的是在极度高温领域中它几乎没有强度下降的变化这也是它能成为高温炉用隔热材料的一个很重要15的原因(如图1)。另外，自重轻，低热膨胀系数，10低吸湿性，放气量低等等特性都决定了它是一种优毋乱o．c_oc∞Jl∞oII∞cm’上秀的高温炉用隔热材料。O5最初它和陶瓷纤维等隔热材料一样以j【：业毡的0O05001000150020002500形式为主，但考虑到纤维的飞散问题以及施工上存在的不便因素同时为使其具有更好的隔热效果人

4、们Temperature。℃把它设计成具有自立性的定形隔热材料并逐渐成为图．1各种纤维材料强度的温度依存性真空隔热领域的主流。表．1碳素纤维隔热材料的使用实例炉型用途(选用)使用条件(一般情况)烧结炉超硬金属、陶瓷、碳材料等的烧结1000～3000℃(真空、惰性气体)淬火炉SDK材等油淬1200～1400。C(真空、惰性气体)钎焊炉银、铜、铝、等钎焊1100t1250℃(真窄)炭化炉烧结用粉末炭化1800～2000℃(真空)热处理炉金属铬的高纯化1400～1500℃(真窄)蒸镀炉铝等各种金属的蒸镀1500～1600

5、"12(真窄)晶体生长炉硅单晶、化合物半导体、萤石单品拉伸1500～1600℃(惰性气体)纤维拉仲炉光纤拉伸1200～1600℃(惰性气体)HIP炉超硬金属、陶瓷、碳材料等的等静压烧结1000～2300。C(惰性气体加膻)热坻炉陶瓷、碳材料等的烧结1200～2000℃(惰性气体tJll)：i：)841碳素纤维隔热材料的形态碳素纤维格热材根据川途和使用条件的不同分为粉末状，■：业毡状，和定型件等各种形态。1．1粉状碳素纤维将碳素纤维细切粉碎后填充入需要隔热的空间内。特点是形状自由度火，可以根据消耗情况按需补充使J{；

6、jI经济性好。但是由于操作的不便和粉尘扬灰问题在真空炉以及各种晶体生长炉上无法使用。1．2碳素纤维软毡碳素纤维软毡是通过针刺法：l：艺碳纤维各向交错使其成型。它柔软且密度均一，易于裁断和缝合，所以人们经常用其重叠，绕卷使用。其体密度约为0．1∥ml左右或以下，自重轻，热容量小所以可以缩短加热冷却周期。但是在使用中单丝的飞散，高温和气流的影响导致它形状破坏等现象随使用条件的变化时有发生。1：3定-陛隔热材料软毡和细切短纤维加入少量连结剂制成任意的形状后再作高温炭化或石墨化处理就成了碳素纤维定形隔热材料。它的体密度调整

7、范围很人从0．7∥ml到0．1～O．2∥rnl。特点是具有自立性，可复杂加．I：所以人幅度改善了操作性和作业环境，减少了发尘。同时由于其密度和形状自由可调因此设计人员可以根据使用条件充分考虑热容量和隔热性能的要求进行最优化设计。但是由于加工精度的问题在于其他部件的组装时要考虑尺寸公差的因素。2碳素纤维隔热材料的热传导率图2，3所示是定形碳素纤维隔热材料采用平板定常法所测热传导率的检测结果。可见定形隔热材料的热传导率对其密度的依存度很高同时也受炉内气氛和压力的影响。3O3OJ：R0．13Vacuum1．33PaI25

8、ffllckness：50mm一25FR0．16PItchFeIt2O2O2ayonFell，1515，，．，，亨霎蒂蹄笺球O雪薹蒂蹄啦壤1O一，／1，，／一一／／／一一／__n5一n5∥，一一一一篁二；二OOnO50010001500200025005001000150020∞25∞炉内温度(℃)炉内温度(℃)b}2氮≮谢炭籍穆脚黼俐瓣发!菇魏传肇釉够锈汹