复合材料的致密化方法与流程

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1.本发明涉及通过化学蒸汽渗透对多孔结构致密化的领域，以及涉及进行此类致密化的装备。其改进了现有技术中提出的该致密化技术。
现有技术
2.通过化学蒸汽渗透对多孔基底致密化是众所周知的。在所使用的方法中，基底放置在熔炉中，然后对熔炉供给反应气相，其能够在基底的孔隙中形成基质。对构成气相的气体以及熔炉中的主要温度和压力条件的选择决定了所形成基质的性质。当由热解碳形成基质时，短直链烃通常用作反应气相。
3.被选择的反应气相的性质直接地影响该方法的成本。通常，反应气相越富碳，成本越高。
4.在多孔结构的致密化方法中，实际上仅一些反应气相与预制件接触发生反应，以沉积热解碳。在致密化熔炉的出口处回收的气态排放物由最初存在于未反应的反应气相中的物质以及反应气相物质彼此反应的反应产物组成。除其他外，反应气相物质彼此反应的反应产物包括芳香烃和多环芳烃。
5.例如，wo 2006/077353中已经提出了从气态排放物中分离未反应的最初存在于反应气相中的物质，以便在致密熔炉的入口处将所述气态排放物与反应气相一起重新引入。
6.此类再循环有助于减少所引入的新反应气相数量，从而降低成本。
7.然而，在现有技术的方法中未升级在致密化熔炉的出口处回收的多环芳烃。
8.仍然需要改进现有的致密化方法，并且特别地需要克服上述的缺点。

技术实现要素：

9.本发明的目的正是满足该需求，并且为此提出了一种通过化学蒸汽渗透用热解碳对一个或多个多孔基底致密化的方法，包括至少以下步骤：
[0010]-在致密化熔炉入口处，导入包括至少一种热解碳前体的反应气相；
[0011]-使至少一部分反应气相与多孔基底反应；
[0012]-在致密化熔炉出口处，提取源于反应气相的气态排放物；
[0013]-与在致密化熔炉入口处导入的反应气相一起，重新引入在熔炉出口处提取的至少一部分气态排放物；
[0014]
其特征在于，与反应气相一起引入的该部分气态排放物包括至少一种多环芳烃化合物。
[0015]
一种如上所述的方法有助于克服现有技术方法的缺点，降低成本，并且也减少由方法产生的废物量，因为可以重复使用一些所述废物。
[0016]“多环芳烃化合物”应该理解为是指具有多于一个芳香环的由碳和氢组成的化学物质。
[0017]
例如，适用于本发明的此类多环芳烃化合物可选自萘、苊烯(acenaphthylene)、苊
(acenaphthene)、芴、菲、蒽、荧蒽、芘、二苄基甲苯及其混合物。
[0018]
发明人注意到，多环芳烃化合物与反应气相一起存在能够使基底致密化，即使在与现有技术的方法相比引入更少的反应气相到致密化熔炉的情况下。换句话说，将多环芳烃与反应气相一起引入致密化熔炉有助于减少使基底致密化所需的反应气相数量，并且因此有助于降低该方法的成本。通过与反应气相一起引入的多环芳烃的非常高碳含量，使得减少反应气相数量成为可能。因此，与反应相一起引入的多环芳烃量可以对一部分反应气相提供等效碳，因此可以节省反应气相。
[0019]
此外，一种如上所述的方法能够在不需要对多环芳烃进行任何事先转化的情况下重复使用多环芳烃，所述多环芳烃与反应相一起重新引入熔炉。
[0020]
优选地，与反应气相一起被引入致密化熔炉的多环芳烃量相对较低，以防止污染喷射通道和预热室(如适用的话)。例如，所引入的多环芳烃量可能介于多环芳烃重量相对于反应气相重量的0.5％到5.0％之间。优选地，所引入的多环芳烃量可能介于多环芳烃重量相对于反应气相重量的0.9％到1.1％之间。
[0021]
在一个实施例中，重新引入的气态排放物和气相之间的重量比介于0.5％和5.0％之间。
[0022]
在一个实施例中，与反应气相一起引入的多环芳烃量随多孔基底的致密化进展而变化。
[0023]
事实上，已经注意到，在致密化开始时，大量的多环芳烃化合物可以更好地使基底致密化，而在致密化结束时，可以减少或甚至停止多环芳烃的流量，以防止在待致密化的组件上形成烟尘。在一个实施例中，在该方法结束时，多环芳烃的流量可以为零。
[0024]
例如，在致密化方法的开始和结束之间，与反应气相一起引入的多环芳烃量相对于反应气相重量可能在5.0％到0.0％之间变化。
[0025]
在一个实施例中，在渗透开始时引入的多环芳烃量为在方法开始时相对于反应气相重量的0.5％到1.0％之间，然后在方法结束时逐渐地减少到零。在一个优选实施例中，大致在整个方法进行到一半时，所引入的多环芳烃量逐渐地减少到零。
[0026]
发明人已经注意到，当基底的致密化已经处于后期并且不再需要向熔炉内引入大量的碳时，在该方法中逐渐地减少所引入的多环芳烃量使得可以在该方法开始时增加熔炉内存在的碳量，并且在该方法结束时防止烟尘沉积。
[0027]“反应气相”应理解为是指以气体形式被引入致密化熔炉的热解碳生成物质。在本发明的一个实施例中，在引入致密化熔炉之前，可能存在载气以输送反应气相以及喷射到熔炉内的该部分多环芳烃。如果此类载气不参与致密化反应，则在本发明意义上其并非“反应气相”的一部分。
[0028]
载气可选自惰性气体，例如氮气或氢，参与致密化反应的气体，例如具有少于四个碳原子的碳氢化合物，或这些气体中的两种或多种的混合物。
[0029]
在本发明的一个实施例中，该方法进一步包括使化合物与从在熔炉出口处提取的气态排放物分离的步骤，所述步骤可以通过离心、机械过滤、沉淀、倾析或这些方法的组合来实现。
[0030]
在此类步骤中，从在致密化熔炉出口处获得的气态排放物分离多环芳烃，以便使多环芳烃与反应气相一起重新喷射。
[0031]
发明人注意到，与反应气相一起引入一部分包含至少一种多环芳烃化合物的气态排放物能够使用比现有技术中碳含量低的反应气相通过热解碳使基底致密化。这导致了与使用由具有更长碳链的热解碳前体组成的反应气相的方法相比成本更低的方法。
[0032]
因此，在一个实施例中，反应气相可由具有至多4个碳原子且优选至多3个碳原子的烷烃组成。换句话说，反应气相可包含甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、丁烷异构体或这些化合物的混合物。优选地，反应气相可包含甲烷、乙烷和/或丙烷。
[0033]
与现有技术方法中使用的由长链烷烃组成的气相相比，将反应气相限制到短链线性烷烃有助于降低其成本。
[0034]
在一个实施例中，该方法包括在溶剂中溶解多环芳烃的步骤。例如，用于溶解多环芳烃的溶剂可以是二苄基甲苯。
[0035]
换句话说，与反应相一起引入的该部分气态排放物可以在其被引入致密化熔炉之前与反应气相混合。
[0036]
在一个实施例中，该方法进一步包括在反应气相进入致密化熔炉之前，使反应气相与包括至少一种多环芳烃化合物的部分气态排放物混合的步骤。将多环芳烃与反应气相混合有助于防止多环芳烃再次冷凝，并且因此防止污染致密化熔炉。此外，在引入致密化熔炉之前进行的该混合操作有助于改进多环芳烃在被引入反应器的反应气相中的同质性，并最终减少所需的载气量。
[0037]
在一个实施例中，多孔基底是碳制动片预制件。
[0038]
附图简要说明
[0039]
【图1】图1是实施本发明方法的装备的示意性图示。
具体实施方式
[0040]
图1示意性地示出一种化学蒸汽渗透装备，其特别地用于用热解碳基质使多孔基底致密化，并用于实施如上所述的方法。
[0041]
容纳在壳体12中的熔炉10接收待致密化的多孔基底14，例如由碳基复合材料生产的组件的纤维预制件。
[0042]
例如，待致密化的基底可以是用于制造碳制动片的预制件。
[0043]
熔炉10由形成电枢或感受器(例如由石墨制成)的壁16以及底部18和盖部20界定。感受器16与电感器22耦合，基本由来自感受器的辐射加热熔炉，通过与电感器的电感耦合加热所述感受器。
[0044]
例如，经由管道24，将反应气相通过熔炉10的底部18引入熔炉。反应气相包括一种或多种气体形式的碳前体。如上详细描述的，气相可包括一种具有多达4个碳原子的线性烷烃。
[0045]
通过连接到泵送装置28的管道26，从熔炉10通过盖部20提取排出的气体，所述管道确保气体在熔炉10中循环，在熔炉内侧保持所需的减压。
[0046]
通过分解反应相中包含的气体前体，在基底的孔隙中形成热解碳基质。
[0047]
反应副产物也在熔炉10中形成，并与一部分未反应的反应气相，以及在气体前体的分解中获得的产物(特别是二氢h2)一起收集在排出的气体中。
[0048]
图1还示出了用于通过盖部20收集的排出的气体的处理装置40。该处理装置40可
以使多环芳烃与其他气态排放物分离。
[0049]
处理装置40(例如，离心机)连接到两个出口通道41和42。多环芳烃通过处理装置40与其他气态排放物分离并且经由通道41收集到储罐30。通道41可以通过图1未示出的加热构件加热，以防多环芳烃冷凝，其可导致焦油沉积在通道中。
[0050]
在所示的实施例中，在与其他排出的气体分离后，多环芳烃33被收集在储罐30中。储罐30与熔炉10的供给管24流体地连通。
[0051]
例如，多环芳烃可在溶剂中溶解以形成液态油。如上所述，二苄基甲苯是用于溶解多环芳烃的优选溶剂。
[0052]
储罐30设置有图1未示出的加热系统，这意味着与储罐30中的液态多环芳烃33平衡的多环芳烃蒸汽可以在储罐30顶部通过管道31排出，并且在反应气相进入熔炉10之前与供给管24中的反应气相混合。
[0053]
为了用多环芳烃使气相富集，该方法可包括一个步骤，其中，载气穿过包含多环芳烃的储罐30。通过调整储罐中的压力和温度条件，即通过选择适当的温度和压力条件，可以建立物理平衡，其致使多环芳烃从液相迁移到气相。这种平衡取决于储罐中的温度和压力，以及取决于液相的浓度和与多环芳烃有关的数据，例如多环芳烃的蒸汽压力。
[0054]
因此可以确定反应器中所需的温度和压力条件，以便在载气中获得确定量的多环芳烃。换句话说，控制储罐30中的压力和温度条件可以控制装载载气的多环芳烃的流量，并且因此控制被引入致密化熔炉的多环芳烃的流量。
[0055]
在本发明的一个实施例中，储罐30的压力可介于10到100毫巴之间，优选地介于10到50毫巴之间，以便将储罐30顶部部分中存在的载气与多环芳烃一起装载。
[0056]
在本发明的一个实施例中，储罐30的温度可介于50℃到150℃之间，优选地介于80℃到120℃之间，以便将储罐30顶部部分中存在的载气与多环芳烃一起装载。
[0057]
在该方法的一个实施例中，所有通道被加热到介于80℃到100℃之间的温度。以这种方式加热通道有助于防止多环芳烃再次冷凝，并且因防止多环芳烃形成可能堵塞通道的烟尘。
[0058]
称重系统32被布置用于储罐30，以测量从储罐30排出的多环芳烃的流量，使得可以控制引入致密化熔炉10的多环芳烃量。
[0059]
出口通道42可连接至未示出的其他回收装置，以回收不包括多环芳烃的部分气态排放物。
[0060]
例如，可在用热解碳对多孔基底气体致密化的装备中进行如上所述的方法，所述装备包括：
[0061]-致密化熔炉；
[0062]-对熔炉供给反应气相的装置；
[0063]-从熔炉提取源于反应气相的气态排放物的装置；
[0064]-使多种化合物与气态排放物分离并回收至少一种多环芳烃化合物的装置；
[0065]-用于将选定数量的多环芳烃与反应气相一起引入熔炉的装置。
[0066]
在此类装备中，使多种化合物与气态排放物分离的装置可以是离心装置、机械过滤装置、通过作用温度沉淀的装置、倾析气态排放物的装置，或这些装置的组合。
[0067]
优选地，分离装置选自机械过滤、沉淀、倾析或这些方法的组合。
[0068]
在此类设备中，分离装置可以与储罐连接，以便能够储存与气态排放物分离的多环芳烃。
[0069]
实施该方法的装备还可包括储罐加热装置。
[0070]
事实上，加热多环芳烃化合物有助于使后者保持液态并防止它们固化，这可能对通道或储罐有害，多环芳烃混合物能够以能够堵塞通道的焦油或烟尘的形式固化。
[0071]
用于实施该方法的装备还可包括用于加热该装备的所有通道的装置。
[0072]
这种加热有助于防止被输送的多环芳烃在通道中再次冷凝，例如在分离装置之间，以及防止其被重新引入熔炉或储罐(如果适用的话)。防止多环芳烃以烟尘的形式再次冷凝有助于增加装备的使用寿命。
[0073]
优选地，实施该方法的装备不具有转化多环芳烃的器械，因为多环芳烃不需要转化，以便被重新引入熔炉。
[0074]
例如，此类装备可进一步包括一种用于在供给反应气相到熔炉之前使反应气相与多环芳烃化合物混合的装置。
[0075]
在一种实施该方法的装备中，被输送到致密化熔炉的反应气相可与通过加热含有多环芳烃化合物的储罐所产生的多环芳烃化合物蒸汽接触。
[0076]
一种实施该方法的装备还可包括用于随着多孔基底的致密化进行而调节多环芳烃流量的设备。
[0077]
例如，包含多环芳烃化合物的储罐可设置有称重系统，其可以使随时间而监测的多环芳烃基化合物蒸发。
[0078]
此类储罐可包含在油中溶解的多环芳烃。例如，二苄基甲苯可用作多环芳烃的溶剂。
[0079]
例如，可以控制储罐加热温度，以获得所需的多环芳烃化合物气流。

技术特征：

1.一种通过化学蒸汽渗透用热解碳对一个或多个多孔基底致密化的方法，包括至少以下步骤：-在致密化熔炉入口处，导入包括至少一种热解碳前体的反应气相；-使至少一部分反应气相与所述一个或多个多孔基底反应；-在致密化熔炉出口处，提取源于反应气相的气态排放物；-与在致密化熔炉入口处导入的反应气相一起，重新引入在熔炉出口处提取的至少一部分气态排放物；其特征在于，与反应气相一起引入的该部分气态排放物包括至少一种多环芳烃化合物。2.根据权利要求1所述的致密化方法，其中，所述至少一种多环芳烃化合物选自萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、荧蒽、芘、二苄基甲苯及其混合物。3.根据权利要求1或2所述的致密化方法，进一步包括使化合物与从在熔炉出口处提取的气态排放物分离的步骤，所述步骤可以通过离心、机械过滤、沉淀、倾析或这些方法的组合来实现。4.根据权利要求1到3任一项所述的方法，其中，与反应相一起引入的该部分气态排放物在其被引入致密化熔炉之前与反应气相混合。5.根据权利要求1到4任一项所述的方法，其中，重新引入的气态排放物和反应气相的重量比介于0.5％到5.0％之间。6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其中，反应气相包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、丁烷异构体或这些化合物的混合物。7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其中，所述一个或多个多孔基底是碳制动片预制件。

技术总结

本发明涉及一种通过化学蒸汽渗透用热解碳对一个或多个多孔基底致密化的方法，包括至少以下步骤：-在致密化熔炉入口处，导入包括至少一种热解碳前体的反应气相；-使至少一部分反应气相与所述一个或多个多孔基底反应；-在致密化熔炉出口处，提取源于反应气相的气态排放物；-与在致密化熔炉入口处导入的反应气相一起，重新引入在熔炉出口处提取的至少一部分气态排放物；其特征在于，与反应气相一起引入的该部分气态排放物包括至少一种多环芳烃化合物。合物。合物。