CVD技术在20世纪50年代提出,60年代后期开始应用。
CVD是一种利用气体原料在气相中通过化学反应形成基本粒子,并经过成核、生长两个阶段合成薄膜、晶体、纤维或陶瓷基体等固体材料的技术。其工艺过程主要包括反应气体向基底材料表面扩散,反应气体吸附于基底表面,在基底表面发生化学反应、形成晶核,固体生成物在基底表面解吸和扩散、气态生成物从基底表面脱离移开,连续供给反应气体、沉积产物不断生长5个阶段。CVD过程包括热分解反应、氧化还原反应、化学合成反应、等离子体增强反应等反应类型。在工业应用中,主要存在热分解反应和化学合成反应两种沉积反应。
陶瓷基复合材料CVD成型工艺是,先将颗粒、晶须或纤维等做成所需形状的多孔预制体,其开气孔率在25vol%~45vol%左右;然后将预制体置于CVD反应室中,当温度达到设定值时,通入反应气源,利用气相的扩散作用使其进入预制体;最后气体原料在预制体表面反应生成相应陶瓷基体并沉积下来,同时部分填充气孔;当开气孔率不再降低时,复合材料的CVD成型过程结束,获得所需的陶瓷基复合材料成型体。陶瓷基复合材料CVD成型已应用于碳/碳、碳/碳化硅、碳化硅/碳化硅等复合材料的工业化生产中,主要是用其沉积纤维/基体界面和各种涂层,主要应用在火箭喷管、航天飞机防热瓦、飞机刹车片以及热交换器、加热管等方面。
陶瓷基复合材料CVD成型技术主要有:①常压化学气相沉积(APCVD),是反应时压力接近常压的一种CVD工艺,具有反应器结构简单、沉积速率相对较高等优点,常用来沉积表面涂层。②低压化学气相沉积(LPCVD),反应时压力维持在大约100托(1托=133.332帕)以下的一种CVD工艺。其操作流程简单、制备温度低,近净尺寸成型能力强,适合于大规模生产。③金属有机化学气相沉积(MOCVD),一种利用低温下易分解和易挥发的金属有机化合物作为先驱体进行化学气相沉积的方法,主要特点是沉积温度低。④等离子增强化学气相沉积(PECVD),通过辉光放电形成等离子体,增强化学反应,降低沉积温度,可以在常温至350℃条件下沉积氮化硅、氧化硅、氮氧化硅等陶瓷薄膜或涂层。
与其他沉积方法相比,陶瓷基复合材料CVD成型除了具有设备简单、操作维护方便、灵活性强的优点外,还具有以下优点:①沉积物相成分和微结构可设计,可以沉积碳化物、氮化物、氧化物和硼化物等,这是其他方法无法做到的。②能均匀涂覆几何形状复杂的零件。③陶瓷基体和界面或预制体结合良好。其缺点是:沉积速率不高,制备陶瓷基复合材料的周期较长且阶梯覆盖能力弱;反应源和反应后的气体或液体易燃、易爆或有毒;对设备有耐腐蚀的要求,维护成本较高。