航空發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)主要由民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)和軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)兩部分構(gòu)成。就民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)而言,降低燃油消耗,提高發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命是眾多發(fā)動(dòng)機(jī)制造商關(guān)注的焦點(diǎn)。
就軍用發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)而言,進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比,降低服役成本等是現(xiàn)階段各國(guó)研究的重點(diǎn)?,F(xiàn)有推重比10一級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度均達(dá)到了1500℃,如M88-2型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到1577℃,F(xiàn)119 型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到1700℃左右,而目前正在研制的推重比12~15的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口平均溫度將超過(guò)1800℃以上,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了高溫合金及金屬間化合物的使用溫度。
目前,耐熱性能最好的鎳基高溫合金材料工作溫度達(dá)到1100℃左右,而且必須采用隔熱涂層,同時(shí)設(shè)計(jì)先進(jìn)的冷卻結(jié)構(gòu)。因此,現(xiàn)有的高溫合金材料體系已經(jīng)難以滿(mǎn)足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī),要發(fā)展具有更高推重比的航空發(fā)動(dòng)機(jī),必須開(kāi)發(fā)新型輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐高溫、長(zhǎng)壽命的發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件材料。
陶瓷基復(fù)合材料和碳基復(fù)合材料能夠滿(mǎn)足上述要求,成為能夠替代高溫合金在發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件上應(yīng)用最具有應(yīng)用潛力的材料。
陶瓷基復(fù)合材料是指在陶瓷基體中引入增強(qiáng)材料,形成以引入的增強(qiáng)材料為分散相,以陶瓷基體為連續(xù)相的復(fù)合材料。其中分散相可以為連續(xù)纖維、顆粒或者晶須。目前,研究較多的主要是連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料,主要有碳纖維增強(qiáng)碳化硅(Cf/SiC)、碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅(SiCf/SiC)以及氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料。
陶瓷基復(fù)合材料具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)輕質(zhì)。陶瓷基復(fù)合材料密度低(僅為高溫合金的1/3~1/4),可用于燃燒室、調(diào)節(jié)片/ 密封片等部件,能夠直接減輕質(zhì)量50%左右。
(2)耐高溫。陶瓷基復(fù)合材料的工作溫度高達(dá)1650℃,能夠簡(jiǎn)化甚至省去冷卻結(jié)構(gòu),優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu),提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度和使用壽命。在無(wú)冷卻結(jié)構(gòu)的條件下,可以在1200℃長(zhǎng)期使用。
(3)優(yōu)異的高溫抗氧化性能。陶瓷基復(fù)合材料能夠在高溫環(huán)境,甚至是有氧環(huán)境下保持較高的穩(wěn)定性,降低了熱防護(hù)涂層的研制和應(yīng)用成本。
(4)優(yōu)異力學(xué)性能。通過(guò)制備工藝優(yōu)化,特別是界面層組分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),陶瓷基復(fù)合材料的力學(xué)性能相對(duì)于單相陶瓷而言,有了質(zhì)的提升。
碳/碳(C/C)復(fù)合材料是碳纖維增強(qiáng)碳基體的復(fù)合材料, 具有高強(qiáng)高模、比重輕、熱膨脹系數(shù)小、抗腐蝕、抗熱沖擊、耐摩擦性能好、化學(xué)穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)異性能, 是一種新型的超高溫復(fù)合材料。
C/C復(fù)合材料作為優(yōu)異的熱結(jié)構(gòu)-功能一體化工程材料。它和其他高性能復(fù)合材料相同,是由纖維增強(qiáng)相和基本相組成的一種復(fù)合結(jié)構(gòu),不同之處是增強(qiáng)相和基本相均由具有特殊性能的純碳組成。
碳/碳復(fù)合材料主要是由碳?xì)帧⑻疾?、碳纖維作為增強(qiáng)體,氣相沉積碳做為基體經(jīng)過(guò)復(fù)合而制成,但是它的組成元素只有一個(gè)就是碳這個(gè)元素。為了增加密度,由碳化而生成的浸漬碳或浸漬在康銅樹(shù)脂(或?yàn)r青),也就是說(shuō)碳/碳復(fù)合材料是由三種碳材料復(fù)合而制成的。
1. 密度1.65--2.0g/cm3,質(zhì)量輕,僅為鋼的四分之一;
2. 力學(xué)特性隨著溫度的升高而增大,是現(xiàn)在唯一能夠在2500℃以上保持高溫強(qiáng)度的工程材料;
3. 優(yōu)秀的耐燒蝕性能,導(dǎo)熱系數(shù)高、比熱容大;
4. 損傷容限很高,具有良好的抗熱震性能;
5. 摩擦性能好,摩擦系數(shù)比較穩(wěn)定,具有一定的韌性;
6. 承載水平比較高,過(guò)載能力較強(qiáng),高溫下也不會(huì)熔化,且不會(huì)發(fā)生粘連現(xiàn)象;
7. 線(xiàn)膨脹系數(shù)較小,高溫下尺寸穩(wěn)定性好,使用壽命長(zhǎng)。
陶瓷基復(fù)合材料和碳基復(fù)合材料作為先進(jìn)復(fù)合材料的代表,其生產(chǎn)制備技術(shù)工藝的簡(jiǎn)單成熟化,標(biāo)志著其在航空航天制造領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展,陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝已經(jīng)趨于成熟,部分技術(shù)成果已經(jīng)成功應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件上。
這些工藝主要包括化學(xué)氣相滲透法(CVI),聚合物浸漬裂解工藝(PIP),漿料浸漬熱壓法(SIHP)和熔體浸滲工藝(RMI)等。世界各國(guó)對(duì)陶瓷基復(fù)合材料工藝都進(jìn)行了詳細(xì)的研究,其中日本擁有聚碳硅烷(PCS)和連續(xù)SiC 纖維制備技術(shù),主要開(kāi)展PIP 工藝制備纖維增強(qiáng)SiC 復(fù)合材料的研究, 特別是在SiCf/SiC復(fù)合材料制備上具有較高的研究水平;法國(guó)以CVI技術(shù)為主,且技術(shù)水平屬?lài)?guó)際領(lǐng)先;德國(guó)以RMI 和PIP技術(shù)為主, 特別是RMI 技術(shù)世界領(lǐng)先;美國(guó)對(duì)PIP、CVI 和RMI 工藝均有研究,且均有較高的研究水平,特別是RMI 工藝,已經(jīng)成為GE 公司陶瓷基復(fù)合材料制備的主流工藝[1]。
而碳基復(fù)合材料,特別是高性能的C/C復(fù)合材料多采用炭纖維多向編織成型,然后進(jìn)一步致密化的方法提高密度。通常極具有發(fā)展前途的方法有化學(xué)氣相滲透(CVI)、液相浸漬工藝、化學(xué)液-氣相沉積(CLVD)等。其中工業(yè)化的應(yīng)用主要集中在CVI和PIP工藝上。
連續(xù)相增強(qiáng)碳化硅基體復(fù)合材料是陶瓷基復(fù)合材料的典型代表,具有高的比強(qiáng)度和比剛度、良好的高溫力學(xué)性能和抗氧化性能以及優(yōu)異的抗輻照性能和耐腐蝕性能,在航空航天和核聚變領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景[2]。高科技領(lǐng)域常用的SiC基復(fù)合材料制備方法有化學(xué)氣相滲透工藝(CVI)、先驅(qū)體浸漬裂解工藝(PIP)、漿料浸漬熱壓法(SIHP)和熔體浸滲工藝(RMI)等。其中PIP工藝與CVI工藝均為制備SiC基復(fù)合材料的傳統(tǒng)工藝,應(yīng)用廣泛,工藝成熟。

1983 年,Yajima 等[3]提出了聚碳硅烷裂解制備SiC 材料的路線(xiàn),先驅(qū)體轉(zhuǎn)化制備陶瓷材料的巨大潛力逐漸被人們所認(rèn)識(shí)。先驅(qū)體浸漬裂解法又稱(chēng)聚合物浸漬裂解法或先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法,其一般過(guò)程是: 以纖維預(yù)制件( 三維編織物、氈體等) 為骨架,浸漬聚合物先驅(qū)體,在惰性氣體保護(hù)下使其交聯(lián)固化,然后在一定氣氛中進(jìn)行高溫裂解,從而得到陶瓷基復(fù)合材料,重復(fù)浸漬-交聯(lián)-裂解過(guò)程可使復(fù)合材料致密化。
PIP 工藝的優(yōu)點(diǎn)是:
( 1) 先驅(qū)體分子可設(shè)計(jì),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)最終復(fù)合材料陶瓷基體組成、結(jié)構(gòu)與性能的控制;
( 2) 制備溫度低,設(shè)備要求簡(jiǎn)單;
( 3) 可制備大型復(fù)雜形狀的構(gòu)件,能夠?qū)崿F(xiàn)近凈成型。程中無(wú)需引入燒結(jié)助劑,材料高溫性能好;
(4)由于先驅(qū)體特性與聚合物樹(shù)脂相似,可以充分利用聚合物基復(fù)合材料的成型技術(shù)來(lái)制備各種復(fù)雜形狀的CFRCMCs。
除此之外,PIP法對(duì)設(shè)備要求不高,操作過(guò)程簡(jiǎn)單。若在先驅(qū)體中添加惰性或活性增強(qiáng)相,還可以縮短制備周期,甚至只需一個(gè)浸漬一固化一裂解周期就可以制備出致密CFRCMCs.
不同研究者所得材料的性能有很大差異,這是因?yàn)镻IP法CFRCMCs的性能受許多因素影響。除了纖維和基體種類(lèi)、纖維性能、纖維表面狀態(tài)、纖維排布(編織)方式和體積分?jǐn)?shù)等因素之外,在很大程度上受到制備工藝的影響。不同的工藝過(guò)程會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)不同,在性能上表現(xiàn)出很大差別。
雖然影響因素眾多,但從結(jié)構(gòu)上分析可知,致密度和界面結(jié)構(gòu)是影響CFRCMCs力學(xué)性能的兩個(gè)根本性和關(guān)鍵性因素。因此,許多工作都圍繞這兩個(gè)方面展開(kāi)以提高材料的力學(xué)性能。
提高致密度就要減少材料中的氣孔。
PIP法CFRCMCs中的氣孔來(lái)源于兩方面:
一是先驅(qū)體浸漬纖維預(yù)制件時(shí)沒(méi)能完全排出預(yù)制件中的空氣,殘留空氣大部分以閉氣孔的形式留在材料中;
二是先驅(qū)體裂解時(shí)放出許多小分子而在材料中留下的氣孔。減少PIP法CFRCMCs中氣孔的方法除了增加浸潰一裂解周期和添加活性增強(qiáng)相外,還可在浸潰和裂解過(guò)程中采取措施。
PIP法制備CFRCMCs首先要讓先驅(qū)體浸潰纖維預(yù)制件,置換出其空隙中的空氣。浸漬效率的高低會(huì)影響先驅(qū)體填充空隙的程度,從而影響材料致密度。為了提高先驅(qū)體浸漬纖維的效率,可對(duì)原先的常溫常壓浸漬進(jìn)行改進(jìn),采取真空浸漬、加熱加壓浸漬等方法。
在裂解過(guò)程中,采用熱壓(包括熱等靜壓)輔助可以明顯降低氣孔率,提高基體致密度。但熱壓不適合制備形狀復(fù)雜的構(gòu)件,所以應(yīng)用前景不大。氣壓裂解不僅可以抑制小分子氣體產(chǎn)生,提高陶瓷產(chǎn)率,減少氣孔率,而且適合制備復(fù)雜形狀構(gòu)件,是一種比較有前景的裂解工藝。
CVI 是將具有特定形狀的纖維預(yù)制體置于沉積爐中, 通入的氣態(tài)前驅(qū)體通過(guò)擴(kuò)散、對(duì)流等方式進(jìn)入預(yù)制體內(nèi)部, 在一定溫度下由于熱激活而發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng), 生成固態(tài)的陶瓷類(lèi)物質(zhì)并以涂層的形式沉積于纖維表面;隨著沉積的繼續(xù)進(jìn)行, 纖維表面的涂層越來(lái)越厚, 纖維間的空隙越來(lái)越小, 最終各涂層相互重疊, 成為材料內(nèi)的連續(xù)相, 即陶瓷基體。
從某種角度而言, 化學(xué)氣相滲透是化學(xué)氣相沉積(CVD)的一種特殊形式, 在CVI 中, 預(yù)制體是多孔低密度材料, 沉積多發(fā)生于其內(nèi)部纖維表面;而CVD 是在襯底材料的外表面上直接沉積涂層。
與粉末燒結(jié)和熱等靜壓等常規(guī)工藝相比,CVI 工藝具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)CVI 工藝在無(wú)壓和相對(duì)低溫條件下進(jìn)行(粉末燒結(jié)通常2000 ℃以上,CVI 法1000 ℃左右),纖維類(lèi)增強(qiáng)物的損傷較小,可制備出高性能(特別是高斷裂韌性)的陶瓷基復(fù)合材料;
(2)通過(guò)改變氣態(tài)前驅(qū)體的種類(lèi)、含量、沉積順序、沉積工藝, 可方便地對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的界面、基體的組成與微觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì);
(3)由于不需要加入燒結(jié)助劑,所得到的陶瓷基體在純度和組成結(jié)構(gòu)上優(yōu)于用常規(guī)方法制備的;
(4)可成型形態(tài)復(fù)雜、纖維體積分?jǐn)?shù)較高的陶瓷基復(fù)合材料;
(5)對(duì)用其它工藝制備的陶瓷基復(fù)合材料或多孔陶瓷材料可進(jìn)行進(jìn)一步的致密化處理, 減少材料內(nèi)部存在的開(kāi)放孔洞和裂紋。當(dāng)然CVI 法也存在一定的不足之處, 目前最大的問(wèn)題是成型周期長(zhǎng),成本高。
用CVI法制備陶瓷基復(fù)合材料的目的是獲取具有結(jié)構(gòu)完整性和密度均勻性的制件。為實(shí)現(xiàn)這一步, 就要協(xié)調(diào)好氣體的輸送和反應(yīng)溫度這兩個(gè)因素, 使不同的沉積區(qū)域都能獲得良好的沉積效果。從控制氣體輸送模式和反應(yīng)溫度兩個(gè)角度出發(fā), 已經(jīng)發(fā)展了五種主要的CVI方法, 即等溫CVI(ICVI)、等溫強(qiáng)制流動(dòng)CVI、熱梯度CVI 、強(qiáng)制流動(dòng)熱梯度CVI(FCVI )及脈沖CVI。


隨著科技發(fā)展, 碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用預(yù)計(jì)將更加廣泛.然而, 由于其制造周期長(zhǎng),成本高,很大程度上限制了這種優(yōu)秀材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。近十年來(lái),縮短其制造周期,降低成本成為該科研領(lǐng)域主攻方向之一。碳/碳復(fù)合材料的制備過(guò)程包括增強(qiáng)纖維及其織物的選擇、基體碳先驅(qū)體的選擇、C/C預(yù)制坯體的成型、碳基體的致密化以及最終產(chǎn)品的加工檢測(cè)等[5]。
1)碳纖維的選擇
碳纖維束的選擇和纖維織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是制造C/C復(fù)合材料的基礎(chǔ),通過(guò)合理選擇纖維種類(lèi)和織物的編制參數(shù),如紗束的排列取向、紗束間距、紗束體積含量等,可以決定C/C復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱物理性能[6-8]。
2)碳纖維預(yù)制坯體的制備
預(yù)制坯體是指按產(chǎn)品形狀和性能要求先把纖維成型為所需結(jié)構(gòu)形狀的毛坯,以便進(jìn)行致密化工藝。預(yù)成型結(jié)構(gòu)件的加工方式主要有三種:軟編、硬編和軟硬混編。編織工藝主要有:干紗編織、預(yù)浸漬維桿組排、細(xì)編穿刺、纖維纏繞以及三維多向整體編織等。目前C復(fù)合材料主要使用的編織工藝是三維整體多向編織,編織過(guò)程中所有編織纖維按照一定的方向排列,每根纖維沿著自己的方向偏移一定的角度互相交織構(gòu)成織物,其特點(diǎn)是可以成型三維多向整體織物,可以有效的控制C/C復(fù)合材料各個(gè)方向上纖維的體積含量,使得C/C復(fù)合材料在各個(gè)方向發(fā)揮合理的力學(xué)性能[9]。
3)C/C的致密化工藝
致密化程度和效率主要受織物結(jié)構(gòu)、基體材料工藝參數(shù)的影響。目前使用的工藝方法有浸漬碳化、化學(xué)氣相沉積(CVD)、化學(xué)氣相滲透(CVI)、化學(xué)液相沉積、熱解等方法。主要使用的工藝方法有兩大類(lèi):浸漬碳化工藝和化學(xué)氣滲透工藝[10-12]。
浸漬碳化是最常用的C/C復(fù)合材料的致密化工藝。浸漬碳化是在常壓或減壓條件下,將碳基體的前驅(qū)體浸入編織預(yù)制體的內(nèi)部孔隙,然后在一定氣體環(huán)境中高溫碳化以及石墨化過(guò)程,通過(guò)多次循環(huán)獲得致密C/C復(fù)合材料,浸漬碳化是最早使用的C/C復(fù)合材料致密化工藝,其工藝過(guò)程如圖所示。

用于液相浸漬的碳基體的前軀體有酚醛樹(shù)脂、糠醛樹(shù)脂、煤瀝青等,如果前驅(qū)體是瀝青,浸漬后必須在10MPa以上的高壓下進(jìn)行緩慢碳化才能得到高碳收率。另外,液相前驅(qū)體必須具有較低的粘度,對(duì)碳基體有較好的潤(rùn)濕性及可固化性以便阻止在碳化之前進(jìn)一步加熱時(shí)的液體流失。如果前驅(qū)體是樹(shù)脂,為了提高碳收率,需反復(fù)進(jìn)行浸漬碳化石墨化循環(huán)。
樹(shù)脂浸漬工藝流程是:將預(yù)制坯體置于浸漬爐中,在真空下用樹(shù)脂浸漬預(yù)制坯體,再充氣加壓使樹(shù)脂浸透預(yù)制坯體。浸漬壓力逐漸增加至3~5MPa,首次浸漬壓力不易過(guò)高,以免纖維織物變形受損。浸漬樹(shù)脂后的樣品放入固化罐中進(jìn)行加壓固化。樹(shù)脂固化后將樣品放入碳化爐中,在氬氣或氮?dú)獾谋Wo(hù)下進(jìn)行炭化,在炭化過(guò)程中樹(shù)脂熱解形成碳?xì)埩粑?,發(fā)生質(zhì)量損失和變形,同時(shí)在樣品中留下空隙。故此需要重新進(jìn)行樹(shù)脂浸漬和炭化,以減少空隙達(dá)到致密化的要求。
瀝青浸漬工藝流程是:常采用石油瀝青為浸漬物,先進(jìn)行真空浸漬,而后加壓浸漬。現(xiàn)將盛有碳纖維預(yù)制坯體的容器放入真空爐中,同時(shí)將瀝青放入融化罐中抽真空并加熱到瀝青熔化,然后將熔化瀝青注入到盛有預(yù)制坯體的容器中,使瀝青浸沒(méi)預(yù)制坯體。之后轉(zhuǎn)移入加壓600~700℃進(jìn)行加壓炭化。一般把浸漬、炭化壓力為1MPa左右的為低壓浸漬炭化,壓力幾到幾十兆帕稱(chēng)為中壓浸漬炭化,而壓力達(dá)到幾十到上百兆帕稱(chēng)為高壓浸漬炭化工藝。
浸漬碳化工藝大致包括下面幾個(gè)過(guò)程:
(1) C-H和C-C鍵斷裂形成具有化學(xué)活性的自由基;
(2) 分子的重排;
(3) 熱聚合;
(4) 芳香環(huán)的稠化;
(5) 側(cè)鏈和氫的脫除。
上述的幾個(gè)反應(yīng)過(guò)程并不是孤立存在的,這些反應(yīng)往往同時(shí)發(fā)生,最后在1000℃時(shí)形成具有網(wǎng)狀三維結(jié)構(gòu)的基體碳。在熱處理溫度達(dá)到1000 ℃時(shí),碳以外的元素己基本消失,這個(gè)溫度可以認(rèn)為是獲得實(shí)質(zhì)“碳”所必要的溫度,化學(xué)變化過(guò)程在此結(jié)束。溫度超過(guò)1000℃,一直到3000℃,基體碳處于石墨化階段,其表現(xiàn)形式是碳網(wǎng)平面尺寸增大,且碳網(wǎng)平面堆積層數(shù)增多,最終朝石墨化的方向轉(zhuǎn)化,最終制成致密的C/C復(fù)合材料。浸漬碳化工藝時(shí)間短、成本低,具有高碳收率、低制備成本等優(yōu)點(diǎn)。
化學(xué)氣相滲透((CVI)是一種控制條件下在多孔預(yù)制體內(nèi)部進(jìn)行碳?xì)浠衔?如CH4,C3H6等)熱解、沉積的涂層工藝。按照加熱方式可以把CVI工藝技術(shù)劃分為兩類(lèi)。
2.1 熱器壁技術(shù)(外部熱源)
(1) 等溫CVI:該工藝是在等溫的空間內(nèi),在適當(dāng)?shù)膲毫ο?,炭源氣體依靠擴(kuò)散作用進(jìn)入樣品孔隙內(nèi)熱解沉積。由于氣體在表而擴(kuò)散優(yōu)于內(nèi)部,熱解炭首先沉積在預(yù)制體表而導(dǎo)致擴(kuò)散孔隙封閉,因此只能采用低溫、低氣體濃度減緩沉積速率。當(dāng)表而封孔時(shí),需要反復(fù)機(jī)加工和高溫?zé)崽幚?,打開(kāi)封閉孔隙繼續(xù)沉積,結(jié)果造成沉積周期過(guò)長(zhǎng)。但該工藝不受樣件幾何形狀影響,工藝簡(jiǎn)單,易實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),工藝重復(fù)性好。此外,采用大爐沉積可形成規(guī)模效益以部分抵消周期長(zhǎng)導(dǎo)致的高成本。從等溫工藝衍生出的方法有催化CVI.等離子增強(qiáng)CVI、脈沖流動(dòng)法等方法。
(2) 壓差法CVI:該工藝是對(duì)等溫法的改進(jìn),在預(yù)制體厚度方向上形成一定的壓力差,氣體被強(qiáng)行通過(guò)多孔預(yù)制體。與等溫法相比,預(yù)制體內(nèi)部的氣體輸運(yùn)狀況有所改善,沉積較快,但仍會(huì)出現(xiàn)表而封孔現(xiàn)象。此法特別適用于沉積筒狀件。
2.2 冷器壁技術(shù)(內(nèi)部熱源)
(1) 熱梯度CVI:是在預(yù)制體的內(nèi)外表而形成一定的溫度差,內(nèi)部的溫度高,沉積由內(nèi)向外逐漸推移,直至致密。此法能一定程度避免表而封孔現(xiàn)象,沉積速率較快。但隨著沉積過(guò)程的進(jìn)行,由于芯部密度增加,輻射到外表而的熱量增多,熱梯度減小,導(dǎo)致制品密度和組織結(jié)構(gòu)不均勻。
(2) 強(qiáng)制流動(dòng)CVI:綜合了熱梯度法和壓差法的優(yōu)點(diǎn)。將預(yù)制體上端而加熱,下端而冷卻,反應(yīng)氣體由下端向上輸送,熱解炭的沉積由高溫而向低溫而推進(jìn)完成致密化,從而提高沉積速率,保證密度的均勻性。此法因沉積效率高,制品性能好,發(fā)展?jié)摿艽蟆?/span>
(3) 直熱式CVI:該方法是使預(yù)制體在電流作用下直接發(fā)熱,由預(yù)制體本身形成熱梯度進(jìn)行沉積。由于預(yù)制體是直接通電加熱,因而升降溫速度快,操作簡(jiǎn)單且由內(nèi)向外的沉積一定程度避免了表而封孔現(xiàn)象。但是每爐樣品數(shù)量非常有限且對(duì)電流電壓要求高。
(4) 化學(xué)液氣相滲透 (CLVI) 和快速蒸氣CVI。兩種工藝的顯著特點(diǎn)沉積速率快,幾小時(shí)就能一次性完成致密化。其區(qū)別是將預(yù)制體浸入前驅(qū)體溶液中,還是置于蒸發(fā)氣體中。該工藝制得的C/C內(nèi)部沒(méi)有大的殘余孔隙,致密度高,但是設(shè)備復(fù)雜,安全性要求高。
(5) 多元耦合場(chǎng)CVI:此工藝由中南大學(xué)研發(fā),結(jié)合了熱梯度法和直熱法的優(yōu)點(diǎn),制備操作簡(jiǎn)單,沉積速率快,可一次性完成致密化。該工藝升降溫速度快,炭源氣體要求低,特別適合于片狀預(yù)制體,是一種很有前途的低成本快速CVI技術(shù),但單爐樣品數(shù)有限。
總之,各國(guó)科學(xué)家已經(jīng)針對(duì)快速低成本CVI技術(shù)方而做了很多工作。其中,德國(guó)研究者近年來(lái)對(duì)等溫法進(jìn)行了較大改進(jìn),提出了快速等溫CVI制備技術(shù)。日前,國(guó)外生產(chǎn)商如Messier和Dunlop應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)主要還是采用日臻成熟的等溫法,而國(guó)內(nèi)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)則是等溫法和熱梯度法等快速致密化工藝并存。
4)C/C的石墨化
根據(jù)使用要求,常對(duì)致密化的C/C材料進(jìn)行高溫?zé)崽幚?,常用溫度?400℃~2800℃,在這一溫度下N、H、O、K、Na、Ca等元素逸出,碳發(fā)生晶格結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)。石墨化處理對(duì)C/C復(fù)合材料性能有明顯的影響。經(jīng)過(guò)石墨化處理后,其強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)均降低,導(dǎo)熱率、熱穩(wěn)定性、抗氧化性及純度都有所提高。
陶瓷基復(fù)合材料和碳基復(fù)合材料由于其優(yōu)異的使用性能,使之成為極其重要的戰(zhàn)略材料,各國(guó)都投入了大量的人力物力進(jìn)行研發(fā)工作,并且已經(jīng)在很多重要的領(lǐng)域尤其是航空航天領(lǐng)域得到了應(yīng)用。但是與其他材料相比,這些材料的成本依舊很高,民用推廣存在很大的難度。如何降低成本將會(huì)是其研究的重點(diǎn)。
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