陶瓷基复合材料准备技术资料.ppt

2）树脂或沥青碳： 碳纤维预制成型体经过浸渍树脂或沥青等浸渍剂后，经预固化，再经碳化后获得的基体碳。浸渍剂选择原则如下； （1）碳化率（焦化率）：碳化率高的浸渍剂可提高效率，减少浸渍次数。 （2）粘度：要求粘度适当，易于浸渍剂浸渍到预制成型体中。 （3）热解碳化时能形成张开型的裂缝和空隙，以利于多次浸渍，形成致密的碳/碳复合材料。 （4）碳化后收缩不会破坏预制成型体的结构和形状。 （5）形成的显微结构有利于碳/碳复合材料的性能。 2）树脂或沥青碳： 沥青是一种多环芳香碳氢化合物的混合物，在300 ~ 500?C温度以上可经历以下碳化过程： （1）低分子量物质的挥发气化、脱氢、缩合、裂化和分子结构的重排，形成平面型芳环结构。 （2）各向同性液态沥青在400?C温度以上可形成中间（Mesophase）。 （3）中间相又畸变变形，聚结并固化成层状排列的分子结构。 （4）这种层状排列的分子结构在2000 ~ 2500?C以上时有利于形成各向异性的碳 – 石墨结构。 2、碳/碳复合材料的制备工艺 1）CVD（CVI）工艺原理 一般认为，CVD（CVI）经历以下过程：1）反应气体通过层流向沉积基体的边界层扩散；2）沉积基体表面吸附反应气体，反应气体产生反应并形成固态和气体产物；3）所产生的气体产物解吸附，并沿边界层区域扩散；4）产生的气体产物排除。 CVD（CVI）过程受反应温度及压力影响较大。一般低温低压下受反应动力学控制；而在高温高压下则是扩散为主。工艺参量温度、压力、反应气体流量及载气的流量、分压都会影响到CVD过程的扩散/沉积平衡，从而影响碳/碳复合材料的致密度和性能。 1）CVD（CVI）工艺原理 在CVD（CVI）过程中为防止预成型体中孔隙入口处因沉积速度太快而造成孔的封闭，应 控制反应气体和产物气体的扩散速率大于沉积速率（图11 – 4）。 在CVD（CVI）过程中往往要同时导入载流气体，如氢、氩或氮等，起稀释反应气体的作用，目的是改善反应气体的扩散条件。 图11– 4 扩散与沉积速度对空隙封闭影响 2）CVD（CVI）工艺 控制好CVD（CVI）过程沉积和扩散达到合理平衡是保证碳/碳复合材料密度和性能的关键。影响主要因素是温度和压力（图11-5）。 图 11 – 5 反应温度、压力及气体流量对沿空隙沉积速度的影响 根据温度和压力因素的控制，可分为等温、压力梯度和温度梯度工艺等三种基本工艺方法（图11 – 6）： 图 11 – 6 碳碳复合材料的CVD（CVI）工艺示意图 2） – 1 等温工艺 将预成型体置于均温CVD（CVI）炉中，导入碳氢化合物气体，控制炉温和气体的流量和分压以控制反应气体和生成气体在孔隙中的扩散，以便得到均匀的 沉积。为了防止孔隙的过早封闭，应使反应沉积速率低于扩散速率。这样沉积速率将非常缓慢。为了提高制品的致密度，需要在沉积一定时间后，对制品机加工，除去已封闭的外表面，然后再进行沉积。如此循环，整个工艺需要长达数百上千小时的时间。 等温工艺的优点是可以生产大型构件，并同时可在一炉中装入若干件预成型体进行沉积。 2） – 2 压力梯度工艺 利用反应气体通过预先台预成型体时牵制牵制强制流动，对流动气体产生阻力而形成压力梯度。随着孔隙的不断填充，压力梯度反而会增加。由于压力梯度工艺中碳的沉积速率与通过预成型体的压力降成正比，所以使用该工艺提高了沉积速度。 该工艺也存在着表面结壳和内孔隙封闭问题，需多次机加工。并局限于单件构件的生产。 2） – 3 温度梯度工艺 利用并控制预成型体内、外两侧的温度，并形成温度差。由于内外两侧的扩散与沉积速度不同，内侧温度高于外侧，避免了外侧表面的结壳。 该工艺沉积速率明显高于等温工艺，可以不需多次机加工，甚至可以在大气压下操作。 2） – 4 其它工艺 （1）热梯度-强制气流法：此技术是同时采用温度梯度和压力梯度工艺，可使制备时间从几周缩短到小于24小时。 （2）脉冲气流法：反应室周期性地被抽空和填充反应气体，即可产生脉冲气流，热反应室交替处于一个大气压和粗真空之间。这样反应气体就能深入到预制体空隙中，经反应后副产品由泵排除，新鲜反应气体容易浸渗进去。这种强制的扩散技术有利于快速填充深孔。 2） – 4 其它工艺 （3）微波加速：微波加热是把能量直接作用到预制体上。因此能量效率很高，加热均匀，再加上辐射与对流，在样品表面上有热量损失，产生了反向热梯度。这样，冷的反应气体在沉积反应发生之前就渗透到热区。因此，气相反应优先发生在由里向外的区域。反向热梯度可减少外表面空