技术领域
[0001] 本
发明涉及一种用于氧化物纤维制品的超高温烧结炉及烧结方法，属于高温材料
热处理设备与技术领域。
背景技术
[0002] 氧化物纤维制品作为一种在航空航天、民用高温
隔热保温节能环保行业急需的材料，具有高熔点、耐高温、轻质、高强度等特点，如ZrO2、MgO、Al2O3、CaO及其复合氧化物纤维等，具有非常广泛的用途，成为各类研究机构研发的热点。
[0003] 但该类氧化物都具有非常高的熔点，在2000℃以上，且在高温下的
粘度小，很难采用高温熔融的方法制备相应纤维材料，多采用溶胶-凝胶法或
聚合物前驱体方法，一般经过纺丝溶液配制-成纤-烧结等过程，而且纤维及其制品随着处理
温度的升高，纤维的直径或体积出现不同程度的收缩。若不经过高温处理，纤维制品在使用过程中会出现持续收缩，无法保证原有的尺寸和形状，造成节能效果下降，严重时造成物料的损坏、设备的烧蚀甚至高温带来的人员财产损失。
[0004] 目前工业上可长期使用的高温炉最高到1700-1750℃，距离上述氧化物的熔点还有几百度的温差，而且该类纤维材料期望使用的温度在2000℃甚至更高。所以，普通的高温炉已满足不了实际的需求。可达到2000℃甚至2300℃只有
石墨或者钨钼两种加热方式，其中钨钼加热已达到温度的极限，很难重复使用，高温下挥发严重，一是污染产品，二是成本昂贵。而石墨加热方式的温度空间较大、可调，可做成连续式或间歇式高温炉，且在
真空或者N2、Ar等惰性气体保护下可正常运行，但最主要的问题是，高温下石墨挥发或
接触与Al2O3、ZrO2、MgO等氧化物发生反应，C与其中的O相结合，一是造成石墨板或发热体的损耗破坏，降低设备使用寿命；二是形成大量CO，对环境和产品都带来污染。
[0005] 此外，中国
专利文件CN1352375A公开了
电阻加热式超高温真空烧结炉，其主要包括炉体,电阻加热装置和真空压
力及超高温检测部分等辅助装置；电阻加热装置中电源两极通过炉外大
电流母线及金属
水冷
电极进入烧结炉,再经由
碳－石墨材料制成的过渡电极连接于发热体板架上,构成完整的回路系统；电阻加热装置中发热体板架采用一侧上下发热体
串联,两侧并联的
电路结构。中国专利文件CN100347507C公开了一种用于制备氧化锆连续纤维的烧结炉，其特征在于，主要包含一个内管和一个外管，内管和外管均由
石英或氧化
铝、氧化锆陶瓷制成，外管用于加热，加热炉丝均匀缠于其外管外部；内管用于吹气，一头密闭，另一头与外部相通，内管上接一气体
阀门，沿内管壁一周轴向均匀刻有狭缝，通气时气流可从内管管内经由细小狭缝成
辐射状向管外吹出，内管套在外管内，外管周圈包裹有隔
热层，外管两端塞有密闭绝热陶瓷塞，其中一端的塞子将内管与外管套在一起，另一端塞子中心套有一根直接与外部相通的、直径与内管相同、接有气体阀门的石英或陶瓷管，作为外管的进出气管道。上述烧结炉不仅结构复杂，而且没有对烧结炉组件进行处理，在高温烧结过程中，无法避免石墨与氧化物纤维发生反应。
发明内容
[0006] 针对
现有技术的不足，本发明提供一种用于氧化物纤维制品的超高温烧结炉及烧结方法，该烧结炉可阻止石墨与处理氧化物纤维之间的反应，以期获得经超高温处理的氧化物纤维制品，同时也防止炉体及内部配件的氧化，延长使用寿命，减少环境污染。
[0007] 本发明的技术方案如下：
[0008] 一种用于氧化物纤维制品的超高温烧结炉，包括石墨电极和筒体，所述的筒体内设置有硬毡筒，所述的筒体和硬毡筒之间设置有石墨毡和碳毡，所述的石墨毡靠近硬毡筒的一侧，所述的硬毡筒内设置有石墨舟，所述的石墨舟和硬毡筒之间设置有间距，所述的石墨舟内设置有承烧装置，石墨电极设置在石墨舟和硬毡筒之间的间距中。
[0009] 根据本发明，优选的，所述的石墨舟为空腔结构，石墨材质，空腔内壁左右两侧分别设置有突起。突起的设置将石墨舟内部空间分为多层，可充分利用
炉膛空间，提高烧结效率。不同层次的突起可承载多层承烧板。在使用过程中，必要时可封闭石墨舟，以形成温度均匀的温场。
[0010] 根据本发明，优选的，所述的石墨舟的内壁设置有隔离保护层，用于阻止高温下石墨挥发。优选的隔离保护层的材质为BN、SiO2、SiC、ZrB2等，为耐高温、抗氧化、绝缘、导热材料。
[0011] 根据本发明，优选的，所述的石墨舟下方和硬毡筒下方设置有通气孔，用于通入N2、Ar等惰性气体，可有效减少烧结过程产生的无益成分。
[0012] 根据本发明，优选的，所述的硬毡筒为空腔结构，石墨材质；所述的石墨毡和碳毡环绕硬毡筒。石墨毡、碳毡和硬毡筒共同构成了烧结炉的保温层，具有最优的保温隔热节能效果。石墨毡为碳毡在1800-2000℃高温处理得到。石墨材质的硬毡筒和石墨毡能够耐受2000℃以上的高温，为烧结炉提供充分的保温作用。
[0013] 根据本发明，优选的，所述的承烧装置，包括第一承烧板，所述第一承烧板的上表面设置有凹槽，所述的凹槽中设置有承烧球，所述的承烧球凸出于第一承烧板表面并且可在凹槽中自有转动。
[0014] 本发明在第一承烧板上设置凹槽，在凹槽内设置承烧球。这种设置使得氧化物纤维板与第一承烧板的接触面积大大减小，减小了氧化物纤维板收缩时的摩擦阻力。同时承烧球可在凹槽中自有转动，进一步减少氧化物纤维板的摩擦阻力。
[0015] 根据本发明，优选的，凹槽的直径大于承烧球的直径，进一步优选的，承烧球的直径为5-10mm。这种设置，更有利于承烧球在凹槽中自有转动。
[0016] 根据本发明，优选的，凹槽为半球形凹槽，凹槽在第一承烧板表面均匀分布；进一步优选的，相邻两个凹槽的中心间距为20-30mm。
[0017] 根据本发明，优选的，所述的承烧装置还设置有两个以上的第二承烧板并由承烧球
支撑，第二承烧板的面积小于第一承烧板的面积。
[0018] 根据本发明，优选的，所述的第二承烧板的形状为方形或圆形。进一步优选的，方形第二承烧板的大小为(70-100)*(50-70)*(5-10)mm，圆形第二承烧板的直径为30-100mm厚度5-10mm。
[0019] 根据本发明，优选的，相邻两个第二承烧板之间设置有间距，进一步优选的，间距大小为15-30mm。设置第二承烧板可以进一步承载氧化物纤维板，在氧化物纤维板收缩时，第二承烧板可以在承烧球上滑动，进一步防止氧化物纤维板因收缩不均匀导致断裂。第二承烧板之间设置间距，保证氧化物纤维板高温收缩时第二承烧板之间留有足够的空间。
[0020] 根据本发明，优选的，所述的第一承烧板、承烧球和第二承烧板为石墨材质。石墨材质可以实现更高温度的热处理。进一步优选的，第二承烧板上方还设置有隔离板。隔离板的尺寸和之间的间距与第二承烧板相同。优选的，隔离板所用材料具有较高的高温强度和
稳定性，且导热性好，如
硼化锆、碳化锆、氮化锆等之一或者它们的混合。在工作状态时，隔离板位于第二承烧板和氧化物纤维板之间，可防止石墨材质的第二承烧板与氧化物纤维板之间的直接接触，避免第二承烧板和氧化物纤维板之间发生化学反应。
[0021] 根据本发明，使用上述超高温烧结炉对于氧化物纤维制品的烧结方法，包括步骤如下：
[0022] (1)将待烧结的氧化物纤维板布置完成后对超高温烧结炉进行升温，升温程序为：4h升温到600℃，然后5h升温到1500℃，2h升温到1800℃；2h升温到1950℃，1950℃恒温2h，之后开始降温；100min降温到1700℃，60min降温到1500℃，之后自然降温至室温；
[0023] 或者，4h升温到600℃，然后5h升温到1500℃，2h升温到1800℃；3h升温到2000℃，2000℃恒温2h，之后开始降温；200min降温到1400℃，之后自然降温至室温；
[0024] 或者，4h升温到600℃，然后5h升温到1500℃，2h升温到1800℃；200min升温到2050℃，2050℃恒温2h，之后开始降温；200min降温到1500℃，之后自然降温至室温；
[0025] 或者，4h升温到600℃，然后5h升温到1500℃，2h升温到1800℃；4h升温到2200℃，2200℃恒温3h，之后开始降温；300min降温到1500℃，之后自然降温至室温；
[0026] (2)烧结过程气体环境为：升温至600℃之
前炉内保持抽真空，真空度-0.1MPa；降温至1500℃之前使用N2作保护气氛，之后至降至600℃前保持抽真空，真空度-0.1MPa；
[0027] 或者，升温至600℃之后到降温至1500之前使用N2作保护气氛，其他时间保持抽真空，真空度-0.1MPa；
[0028] 本发明未详尽说明的，均按本领域现有技术。
[0029] 本发明的特点和有益效果如下：
[0030] 1、本发明的用于氧化物纤维制品的高温烧结炉，其加热方式采用石墨电极，结构是连续式或者间歇式，可在真空或者N2、Ar等惰性气体保护下正常运行，高效节能环保。设置隔离保护层，使得石墨在高温下不挥发，石墨与氧化物之间不反应，无污染。
[0031] 2、本发明的承烧装置中，在第一承烧板上设置凹槽，在凹槽内设置承烧球，使得氧化物纤维板与第一承烧板的接触面积大大减小，减小了氧化物纤维板收缩时的摩擦阻力。同时承烧球可在凹槽中自有转动，进一步减少氧化物纤维板的摩擦阻力。设置第二承烧板可以进一步承载氧化物纤维板，在氧化物纤维板收缩时，第二承烧板可以在承烧球上滑动，进一步防止氧化物纤维板因收缩不均匀导致断裂。同时，第二承烧板上方设置有隔离板，可防止石墨材质的第二承烧板与氧化物纤维板之间的直接接触，避免第二承烧板和氧化物纤维板之间发生化学反应。
[0032] 3、使用本发明的烧结炉，氧化物纤维制品经高温烧结后，完好无损，尺寸规则，在1700-2200℃范围内具有不收缩、不
变形、无污染的特点。
附图说明：
[0033] 图1为本发明超高温烧结炉的主体结构示意图。
[0034] 图2为本发明超高温烧结炉硬毡筒内石墨舟的主体结构示意图。
[0035] 图3为本发明超高温烧结炉中承烧装置的主体结构示意图。
[0036] 其中：1、硬毡筒；2、筒体；3、石墨毡；4、碳毡；5、承烧装置，5-1、第一承烧板，5-2、承烧球，5-3、第二承烧板，5-4、隔离板，5-5、凹槽；6、石墨舟；7、通气孔，8、氧化物纤维板。具体
实施例：
[0037] 下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明，但不限于此。
[0038] 实施例1
[0039] 如图1-3所示，一种用于氧化物纤维制品的超高温烧结炉，包括石墨电极和筒体2，所述的筒体2内设置有硬毡筒1，所述的筒体2和硬毡筒1之间设置有石墨毡3和碳毡4，所述的石墨毡3靠近硬毡筒1的一侧，所述的硬毡筒1内设置有石墨舟6，所述的石墨舟6和硬毡筒1之间设置有间距，所述的石墨舟6内设置有承烧装置5，石墨电极设置在石墨舟6和硬毡筒1之间的间距中。
[0040] 所述的石墨舟6为空腔结构，石墨材质，空腔内壁左右两侧分别设置有突起。突起的设置将石墨舟6内部空间分为多层，可充分利用炉膛空间，提高烧结效率。不同层次的突起可承载多层承烧板5。
[0041] 所述的石墨舟6的内壁设置有隔离保护层，用于阻止高温下石墨挥发。隔离保护层的材质为BN、SiO2、SiC或ZrB2。
[0042] 所述的石墨舟6下方和硬毡筒1下方设置有通气孔7，用于通入N2、Ar等惰性气体，可有效减少烧结过程产生的无益成分。
[0043] 所述的硬毡筒1为空腔结构，石墨材质；所述的石墨毡3和碳毡4环绕硬毡筒1。石墨毡3、碳毡4和硬毡筒1共同构成了烧结炉的保温层，具有最优的保温隔热节能效果。石墨毡3为碳毡4在1800-2000℃高温处理得到。石墨材质的硬毡筒1和石墨毡3能够耐受2000℃以上的高温，为烧结炉提供充分的保温作用。
[0044] 所述的承烧装置5，包括第一承烧板5-1，所述第一承烧板5-1的上表面设置有凹槽5-5，所述的凹槽5-5中设置有承烧球5-2，所述的承烧球5-2凸出于第一承烧板5-1表面并且可在凹槽5-5中自有转动。凹槽5-5的直径大于承烧球5-2的直径，承烧球5-2的直径为5-
10mm。凹槽5-5为半球形凹槽，凹槽5-5在第一承烧板5-1表面均匀分布；相邻两个凹槽5-5的中心间距为20-30mm。所述的承烧装置5还设置有两个以上的第二承烧板5-3并由承烧球5-2支撑，第二承烧板5-3的面积小于第一承烧板5-1的面积。所述的第二承烧板5-3的形状为方形或圆形。方形第二承烧板5-3的大小为(70-100)*(50-70)*(5-10)mm，圆形第二承烧板5-3的直径为30-100mm厚度5-10mm。相邻两个第二承烧板5-3之间设置有间距，间距大小为15-
30mm。所述的第一承烧板5-1、承烧球5-2和第二承烧板5-3为石墨材质。第二承烧板5-3上方还设置有隔离板5-4。隔离板5-4的尺寸和之间的间距与第二承烧板5-3相同。隔离板5-4所用材料具有较高的高温强度和稳定性，且导热性好，如硼化锆、碳化锆、氮化锆等之一或者它们的混合。
[0045] 实施例2
[0046] 如实施例1所述，不同的是：
[0047] 石墨舟6内壁保护层为SiC，摆放待烧产品，第一承烧板5-1为420*320*30mm的石墨承烧板，隔离板5-4采用70*50*10mm的ZrB2
块排列，上面放置尺寸为400*300*60mm、
密度为0.4g/cm3的氧化锆纤维板。重复上述操作制作六组待烧试样，然后将六组试样放置于石墨舟6中，封上烧结炉的前后门(门上留有测温孔)。
[0048] 布置完成后对超高温烧结炉进行升温，升温程序为4h升温到600℃，然后5h升温到1500℃，2h升温到1800℃，2h升温到1950℃，1950℃恒温2h，之后开始降温。100min降温到
1700℃，60min降温到1500℃，之后自然降温至室温。
[0049] 烧结过程气体环境为：升温至600℃之前炉内保持抽真空，真空度-0.1MPa。降温至1500之前使用N2作保护气氛，之后至降至600℃前保持抽真空，真空度-0.1MPa。
[0050] 开炉后得到无灰化无裂纹氧化锆样品，测得密度平均为0.64g/cm3。用手抚摸石墨舟6内壁，无明显碳黑现象；观察内壁，隔离保护层依然完好无损。观察ZrB2隔离板5-4与碳板接触面无变色等反应现象，ZrB2隔离板5-4保持完整无开裂，可重复使用。
[0051] 实施例3
[0052] 如实施例1所述，不同的是：
[0053] 石墨舟6内壁保护层为SiC，摆放待烧产品。第一承烧板5-1为420*320*30的石墨承烧板，隔离板5-4采用70*50*10mm的ZrN块排列，将三组上面放置尺寸为400*300*60mm、密度为0.3g/cm3的氧化锆纤维板，另外三组上面放置相同尺寸密度为0.4g/cm3的氧化锆纤维板。将六组试样放置于石墨舟6中，封上前后门。
[0054] 布置完成后对超高温烧结炉进行升温，升温程序为4h升温到600℃，然后5h升温到1500℃，2h升温到1800℃，3h升温到2000℃，2000℃恒温2h，之后开始降温。200min降温到
1400℃，之后自然降温至室温。
[0055] 烧结过程气体环境为：升温至600℃之后到降温至1400之前使用N2作保护气氛，其他时间保持抽真空，真空度-0.1MPa。
[0056] 开炉后得到无灰化无裂纹氧化锆样品，测得密度变化情况0.3g/cm3变为0.55g/cm3；0.4g/cm3变为0.65g/cm3。用手抚摸石墨舟6内壁，无明显碳黑现象；观察内壁，隔离保护层依然完好无损。观察ZrN隔离板5-4与碳板接触面无变色等反应现象，ZrN隔离板5-4大部分保持完整无开裂，可重复使用。
[0057] 实施例4
[0058] 如实施例1所述，不同的是：
[0059] 石墨舟6内壁保护层为BN，摆放待烧产品，第一承烧板5-1为420*320*30mm的石墨承烧板，三组隔离板5-4采用70*50*10mm的ZrN块排列，另外三组采用相同尺寸的ZrB2块排3
列，上面放置两块尺寸为300*200*60mm、密度为0.5g/cm的氧化锆纤维板。将六组试样放置于石墨舟6中，封上前后门。
[0060] 布置完成后对超高温烧结炉进行升温，升温程序为4h升温到600℃，然后5h升温到1500℃，2h升温到1800℃，200min升温到2050℃，2050℃恒温2h，之后开始降温。200min降温到1500℃，之后自然降温至室温。
[0061] 烧结过程气体环境为：升温至600℃之后到降温至1500之前使用N2作保护气氛，其他时间保持抽真空，真空度-0.1MPa。
[0062] 开炉后得到无灰化无裂纹氧化锆样品，测得样品密度平均为1.0g/cm3。用手抚摸石墨舟6内壁，无明显碳黑现象；观察内壁，隔离保护层完好无损。ZrN/ZrB2隔离板5-4与碳板接触面无变色等反应现象，ZrN/ZrB2隔离板5-4保持完整无开裂，可重复使用。
[0063] 实施例5
[0064] 如实施例1所述，不同的是：
[0065] 石墨舟6内壁保护层为SiC，第一承烧板5-1为420*320*30mm的石墨承烧板，隔离板5-4采用70*50*10mm的ZrC块排列，上面放置两块尺寸为400*150*60mm、密度为1.0g/cm3的氧化锆纤维板。重复上述操作制作六组待烧试样，然后将六组试样放置于石墨舟6中，封上前后门。
[0066] 布置完成后对超高温烧结炉进行升温，升温程序为4h升温到600℃，然后5h升温到1500℃，2h升温到1800℃，4h升温到2200℃，2200℃恒温3h，之后开始降温。300min降温到
1500℃，之后自然降温至室温。
[0067] 烧结过程气体环境为：升温至600℃之后到降温至1500之前使用N2作保护气氛，其他时间保持抽真空，真空度-0.1MPa。
[0068] 开炉后得到无灰化无裂纹氧化锆样品，测得密度平均为1.65g/cm3。用手抚摸石墨舟6内壁，无明显碳黑现象；观察内壁，隔离保护层依然完好无损。ZrC隔离板5-4与碳板接触面无变色等反应现象，ZrC隔离板5-4保持完整无开裂，可重复使用。
