摘要: 碳纖維密封盤(pán)根是適用于高壓、高速、高溫工況下的高端密封產(chǎn)品，其中其耐溫性能是決定密封效果的關(guān)鍵指標(biāo)，而燒蝕實(shí)驗(yàn)可以用來(lái)評(píng)價(jià)盤(pán)根的耐高溫性能。通過(guò)熱失重和500 ℃燒蝕實(shí)驗(yàn)研究不同碳纖維密封盤(pán)根和浸漬及未浸漬聚四氟乙烯( PTFE) 碳纖維密封盤(pán)根的耐燒蝕性能，采用掃描電子顯微鏡觀察樣品燒蝕前后表面形貌的變化。結(jié)果表明，采用PTFE 浸漬劑處理后，PTFE 膜在碳纖維表面起到隔絕空氣的作用，減少活性碳原子的氧化反應(yīng)，對(duì)碳纖維起到保護(hù)作用，碳纖維表面沒(méi)有明顯燒蝕的痕跡; 碳化溫度越高，碳纖維內(nèi)部石墨結(jié)構(gòu)越完善，耐熱性越好，因而由高模量碳纖維編織的密封盤(pán)根具有較好的耐燒蝕性能。

　　關(guān)鍵詞: 碳纖維; 密封盤(pán)根; 燒蝕; 失重

　　編織型密封填料即密封盤(pán)根是填料密封中應(yīng)用為廣泛的[1-2]，具有承載介質(zhì)壓力大、對(duì)介質(zhì)的適應(yīng)性廣、成本低、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)[3]。在密封盤(pán)根中，聚四氟乙烯( PTFE) 纖維編織密封填料具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和自潤(rùn)滑性能[4 - 5]，但缺點(diǎn)是熱傳導(dǎo)性差和熱膨脹系數(shù)大，在一定溫度和壓力的工況條件下，容易產(chǎn)生蠕變或冷流現(xiàn)象，不適應(yīng)高溫、高壓、高速的工況要求[6 - 7]。然而，隨著宇航、核電站、國(guó)防工業(yè)、石化工業(yè)的發(fā)展，當(dāng)今密封問(wèn)題所涉及的廣度和深度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越防止“跑、冒、滴、漏”的范圍，諸如高溫及超高溫、低溫及超低溫、高壓、高真空、高速以及強(qiáng)腐蝕等苛刻工況對(duì)密封填料提出了更高的要求[8-9]。碳纖維是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型高科技材料[10-11]，其優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性、低的熱膨脹系數(shù)以及高強(qiáng)度、高模量等性能剛好能夠彌補(bǔ)PTFE 纖維編織密封填料的不足，因而以碳纖維為主體材料，以PTFE 乳液為浸漬潤(rùn)滑材料的密封盤(pán)根具有摩擦因數(shù)小、耐熱性好、熱膨脹系數(shù)低、化學(xué)穩(wěn)定性高等一系列優(yōu)異的綜合性能，其應(yīng)用領(lǐng)域已遍及石油、化工、電力、冶金、船舶、核電等部門(mén)，尤其在高速、高溫、高壓等場(chǎng)合發(fā)揮了顯著優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是替代石棉的理想的密封材料[12-15]。

　　燒蝕實(shí)驗(yàn)可以用來(lái)評(píng)價(jià)盤(pán)根的耐高溫性能。碳纖維盤(pán)根的耐燒蝕性能不僅與碳纖維本身的耐溫性能相關(guān)，而且受浸漬劑的影響非常大。本文作者對(duì)比了東麗T300碳纖維、未浸漬PTFE 的高模量碳纖維密封盤(pán)根和已浸漬PTFE密封盤(pán)根的耐燒蝕性能，為提高碳纖維密封盤(pán)根的耐熱性能提供了理論指導(dǎo)。

　　1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

　　1. 1 原材料

　　實(shí)驗(yàn)試樣包括以下3 種:

　　(1) 未浸漬PTFE 高模量碳纖維盤(pán)根( 1#樣品) :

　　該盤(pán)根由進(jìn)口優(yōu)質(zhì)高模量碳纖維編織而成，由浙江某密封件公司提供;

　　(2) 浸漬PTFE 高模量碳纖維密封盤(pán)根( 2# 樣品) : 其中的碳纖維為進(jìn)口優(yōu)質(zhì)高模量碳纖維，浸漬劑的主要成分為PTFE，該樣品由浙江某密封件公司提供;

　　(3) 未浸漬PTFE 普通碳纖維盤(pán)根( 3# 樣品) :該盤(pán)根由日本東麗公司生產(chǎn)的T300 碳纖維編織而成。

　　1. 2 性能測(cè)試

　　3種樣品的燒蝕實(shí)驗(yàn)在電阻爐中同時(shí)進(jìn)行，在500 ℃空氣氣氛下恒溫加熱1 h; 采用德國(guó)NETZSCH4型熱分析儀分析3 種樣品的失重溫度點(diǎn)和失重量，升溫速率均為10 ℃/min; 采用日本日立SU-70型掃描電子顯微鏡觀察3種樣品燒蝕前后的表面形貌，實(shí)驗(yàn)前樣品表面噴鍍碳膜，以提高其導(dǎo)電性能; 采用東華大學(xué)生產(chǎn)的XQ-1 型纖維強(qiáng)伸度儀測(cè)量碳纖維單絲的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，測(cè)試標(biāo)距為20mm，拉伸速率為5mm/min。

　　2 結(jié)果與討論

　　2. 1 熱失重分析

　　圖1 示出了3種試樣的熱失重曲線(xiàn)。為防止PTFE在高溫下裂解產(chǎn)生有毒氣體污染實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，已浸漬高模量碳纖維密封盤(pán)根的加熱截止溫度設(shè)定在400 ℃，其他2 種樣品加熱到500℃。可見(jiàn)，普通T300碳纖維盤(pán)根先開(kāi)始失重，失重起始溫度為189.7℃; 未浸漬高模量碳纖維盤(pán)根的失重起始溫度略高，為220.8 ℃; 帶有浸漬劑的高模量碳纖維盤(pán)根失重起始溫度遠(yuǎn)高于其他2 種樣品，為260℃。當(dāng)加熱到400℃時(shí)，帶有浸漬劑的高模量碳纖維盤(pán)根的失重量?jī)H為1.5%，未浸漬的高模量碳纖維盤(pán)根與T300碳纖維盤(pán)根的失重量相當(dāng)，分別為2.4% 和2.2%。PTFE 從分子結(jié)構(gòu)看是直鏈狀熱塑性高分子化合物，其熔點(diǎn)約為327℃。當(dāng)加熱到500℃時(shí)，高模量碳纖維盤(pán)根顯示出比普通T300 碳纖維盤(pán)根更好的耐熱性，前者的失重量?jī)H為2.972%，而后者為5.648%，表現(xiàn)在圖1中，前者的失重曲線(xiàn)A平穩(wěn)下降，而后者的失重曲線(xiàn)C 劇烈下滑。

　　本文所研究的碳纖維表面有一層上漿劑，所以在A 和C 曲線(xiàn)的第二個(gè)拐點(diǎn)之前的失重主要是由上漿劑燒蝕引起的，而拐點(diǎn)之后的失重則是由碳纖維的氧化反應(yīng)造成的。碳纖維本身的耐熱性主要受碳化溫度影響，碳化溫度越高，碳纖維含碳量越高，其內(nèi)部石墨結(jié)構(gòu)越完善、結(jié)晶度越高，因而抗氧化性提高[16-18]。1#樣品具有較高的碳化溫度，它在400 ～ 500 ℃之間的失重量為0. 572%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于3#樣品在這個(gè)溫度范圍內(nèi)的失重量，即3.448%。

　　以上分析結(jié)果表明，碳纖維經(jīng)過(guò)浸漬劑處理后耐熱性得到了顯著提高，且高模量碳纖維的耐熱性要高于普通碳纖維。

　　2. 2 燒蝕前后碳纖維表面形貌分析

　　1#樣品在500℃下燒蝕前后的表面形貌如圖2所示。沒(méi)有經(jīng)過(guò)浸漬處理的碳纖維表面燒蝕較嚴(yán)重，從燒蝕形貌上可以判斷，碳纖維表面原來(lái)附有一層上膠劑，這種上膠劑一般用來(lái)提高碳纖維的集束性以及與基體材料的表面浸潤(rùn)性，但往往沒(méi)有很好的耐熱性能，因此在燒蝕過(guò)程中，上膠劑發(fā)生了較嚴(yán)重的燒損，出現(xiàn)了沿表面流淌的跡象。由于失去了外層漿膜的保護(hù)，碳纖維表面也被燒蝕形成許多深的溝槽和缺陷，在燒蝕實(shí)驗(yàn)完成后，在取樣過(guò)程中發(fā)現(xiàn)碳纖維易碎，表明其脆性明顯增加，抗彎強(qiáng)度顯著降低。

　　2#樣品在500℃下燒蝕前后的表面形貌如圖3 所示?？梢?jiàn)，經(jīng)1h燒蝕后碳纖維表面的浸漬劑尚未完全燒掉，一部分PTFE膜燒蝕分解后露出里面包覆的碳纖維。這表明，由于有PTFE 膜的保護(hù)，碳纖維表面幾乎沒(méi)有明顯變化，沒(méi)有出現(xiàn)燒損痕跡。因此帶有PTFE的高模量碳纖維密封盤(pán)根至少可以在300℃以下長(zhǎng)期安全使用( PTFE的熔點(diǎn)約為327℃) 。

　　3#樣品燒蝕前后的表面形貌如圖4 所示。3# 樣品T300 碳纖維表面存在較多的溝槽，這些溝槽有利于提高復(fù)合材料纖維與基體的結(jié)合強(qiáng)度。燒蝕后，3#樣品比1#樣品表面形成的缺陷更多，碳纖維燒蝕比較嚴(yán)重，上膠劑燒損較嚴(yán)重，出現(xiàn)了沿表面流淌的跡象，同時(shí)碳纖維表面由于燒蝕形成了更深的溝槽。

　　2. 3 燒蝕前后碳纖維力學(xué)性能的變化

　　由于1#和2# 樣品中所用的碳纖維相同，所以?xún)H對(duì)燒蝕前的1#和3# 樣品中的碳纖維單絲進(jìn)行了力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果如表1 所示。

　　可見(jiàn)，3#樣品比1#樣品具有更高的強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。有文獻(xiàn)報(bào)道[19]，當(dāng)碳化溫度為1 450 ℃時(shí)，碳纖維強(qiáng)度達(dá)到至高，繼續(xù)提高碳化或石墨化溫度，強(qiáng)度反而降低，同時(shí)斷裂伸長(zhǎng)率也降低，而模量提高。因此，從強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率可以判斷，1#樣品的碳化溫度比3# 樣品更高，因而它具有更好的耐燒蝕性能。燒蝕后，由于碳纖維都發(fā)生了較嚴(yán)重的燒損，脆性很高，無(wú)法測(cè)量力學(xué)性能，但是可以通過(guò)取樣時(shí)的手感來(lái)判斷，取樣時(shí)發(fā)現(xiàn)3# 樣品一碰就斷，進(jìn)一步說(shuō)明其耐熱性較差，燒蝕后伸長(zhǎng)率大大降低。

　　3 結(jié)論

　　(1) 浸漬PTFE 的碳纖維密封盤(pán)根比未浸漬的碳纖維密封盤(pán)根具有更好的耐燒蝕性能，其耐熱性不僅與碳纖維本身的耐熱性相關(guān)，而且受PTFE 浸漬劑的影響較大。

　　(2) PTFE 膜能夠?qū)μ祭w維起到很好的保護(hù)作用，其作用機(jī)制是PTFE 膜能夠阻礙活性碳原子與氧的接觸，因此減少了氧化反應(yīng)、降低了碳纖維的燒損失重量，使密封盤(pán)根整體的耐燒蝕性能得到提高。

　　(3) 碳化溫度越高，碳纖維內(nèi)部石墨結(jié)構(gòu)越完善，耐熱性能越高。因此，高模量碳纖維比T300 普通碳纖維具有更好的耐燒蝕性能。所以雖然高模量碳纖維在燒蝕前的強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率較T300 普通碳纖維低，但是燒蝕后前者的氧化燒蝕程度較輕，耐燒蝕性能更好。

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