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陶瓷基复合材料化学气相渗透成型

/chemical vapor infiltration processing of ceramic matrix composites/
最后更新 2022-01-20
浏览 211
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通过反应气体在预成型体中的渗透、高温热解或反应,在增强骨架上沉积出基质材料的制备陶瓷基复合材料的技术。简称陶瓷基复合材料CVI成型。

英文名称
chemical vapor infiltration processing of ceramic matrix composites
简称
陶瓷基复合材料CVI成型
所属学科
材料科学与工程

陶瓷基复合材料化学气相浸渗成型是陶瓷基复合材料化学气相沉积成型技术的改进,与后者相比具有两个特点,即温度梯度和压力梯度。当预制体一侧处于高温区,另一侧被水冷而保持较低的温度时,反应气源从低温侧进入,到达高温侧后发生热分解反应或化学合成反应,生成所需陶瓷基质并沉积在预制体表面;随着反应的不断进行,高温侧致密度提高,热导率增加,高温区逐渐向低温侧移动,直到整个预制体中的孔隙完全被陶瓷基质填满,最终可以获得高致密度的复合材料。化学气相浸渗(CVI)反应器中必须存在压力梯度,保持出口处的低压,这有利于气相穿过预制体骨架,实现材料的致密化。

在碳/碳化硅、碳化硅/碳化硅等纤维增强陶瓷基复合材料中,采用CVI法制备碳化硅陶瓷基体时通常以液态卤代硅烷(如三氯甲基硅烷)为原料,并用氢气作为载气,氩气为稀释/保护气体,沉积温度一般在1100℃以下。控制沉积速度,可以得到孔隙率较低的碳化硅基复合材料。如果将多孔陶瓷(如多孔氮化硅)置于CVI反应器中,就可以得到氮化硅-碳化硅陶瓷复合材料。对于氮化硅陶瓷基体,CVI工艺通常是以氯化硅-氨气-氢气-氩气为先驱体,其中氯化硅为硅源,氨气为氮源,氢气为载气,氩气为稀释/保护气体,沉积温度在1000℃左右。混合气体在纤维预制体中发生气相反应生成纳米氮化硅固相颗粒,并均匀地沉积在纤维表面和孔隙中,最终制得碳/氮化硅、碳化硅/氮化硅等陶瓷基复合材料。

为了提高渗透性,陶瓷基复合材料CVI成型通常在低温(800~1100℃)和低压(1~10千帕)下进行,以降低反应速度并提高气体分子在多孔预制体中的平均自由程。

陶瓷基复合材料CVI成型的主要优点是:①能在低温低压下进行基体的制备,复合材料的内部残余应力较小,纤维受损小。②能制备硅化物、碳化物、硼化物、氮化物和氧化物等多种陶瓷材料,并可实现微观尺度上的成分设计。③能制备形状复杂和纤维体积分数高的近尺寸部件。④在同一CVI反应室中,可依次进行纤维/基体界面、中间相、基体以及涂层的沉积。⑤可用来填充其他工艺制备的材料中的孔隙和裂纹。陶瓷基复合材料CVI成型也存在一些缺点:①陶瓷基体致密化速度低,制备周期长,制造成本高。②基体晶粒尺寸极小(纳米级别),高温下易发生晶粒长大,影响材料性能。③复合材料不可避免地存在10%~15%的孔隙,影响复合材料的力学性能和抗氧化性能。预制体不同厚度处沉积速度不同,易产生密度梯度。制备过程中产生强烈的腐蚀性产物。

陶瓷基复合材料CVI成型是先进的陶瓷基复合材料制造方法并已经商品化应用,主要应用于导弹鼻锥、热翼、尾喷管、扩散段,飞机刹车片,耐磨材料和隔热材料等方面。为了提高复合材料基体的致密度和材料性能,又发展了热梯度CVI(TG-CVI)、强化热梯度CVI(FCVI)和增压CVI(PCVI)等工艺。结合先驱体浸渍裂解、反应熔体渗透和浆料浸渗等技术,可以有效提高生产效率、降低成本,更好地提高复合材料的综合性能,这也是复合材料制备工艺的趋势之一。

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