stringtranslate.com

Химическая инфильтрация паров

Химическая инфильтрация из паровой фазы ( CVI ) — это процесс керамической инженерии , при котором матричный материал инфильтруется в волокнистые заготовки с использованием реактивных газов при повышенной температуре для формирования армированных волокном композитов . [1] Самым ранним применением CVI была инфильтрация волокнистого оксида алюминия карбидом хрома . [2] CVI может применяться для производства углерод-углеродных композитов и композитов с керамической матрицей. Похожая технология — химическое осаждение из паровой фазы (CVD), основное отличие которого заключается в том, что осаждение CVD происходит на горячих объемных поверхностях, в то время как осаждение CVI происходит на пористых подложках.

Процесс

Рисунок 1. Обычная химическая инфильтрация паров. [3]
•  Материал матрицы, переносимый газом
↑ Газ-носитель
    Масштаб не соблюден
Рост ССЗ. Рисунок 2. [3]

Во время химической паровой инфильтрации волокнистая преформа поддерживается на пористой металлической пластине, через которую пропускается смесь газа-носителя вместе с матричным материалом при повышенной температуре. Преформы могут быть изготовлены с использованием пряжи или тканых материалов, или они могут быть намотанными или сплетенными трехмерными формами. [4] Инфильтрация происходит в реакторе, который соединен с установкой по очистке сточных вод, где газы и остаточный матричный материал подвергаются химической обработке. Индукционный нагрев используется в обычной изотермической и изобарической CVI.

Типичная демонстрация процесса показана на рисунке 1. Здесь газы и матричный материал поступают в реактор из системы подачи в нижней части реактора. Волокнистая заготовка подвергается химической реакции при высокой температуре с матричным материалом, и таким образом последний проникает в щели волокна или заготовки.

Механизм роста CVI показан на рисунке 2. Здесь, по мере протекания реакции между поверхностью волокна и материалом матрицы, на поверхности волокна образуется покрытие матрицы, а диаметр волокна уменьшается. Непрореагировавшие реагенты вместе с газами выходят из реактора через выпускную систему и переносятся на очистные сооружения. [5]

Модифицированный CVI

Рисунок 3. Модифицированная химическая инфильтрация паров. [3]
•  Материал матрицы, переносимый газом
↑ Газ-носитель
    Масштаб не соблюден

Техника «горячей стенки» — изотермическая и изобарическая CVI — по-прежнему широко используется. Однако время обработки обычно очень велико, а скорость осаждения низкая, поэтому были изобретены новые пути для разработки более быстрых методов инфильтрации: Термоградиентная CVI с принудительным потоком — в этом процессе принудительный поток газов и матричного материала используется для получения менее пористого и более равномерно плотного материала. Здесь газовая смесь вместе с матричным материалом пропускается под давлением через преформу или волокнистый материал. Этот процесс осуществляется при температурном градиенте от 1050 °C в зоне водоохлаждения до 1200 °C в зоне печи. На рисунке 3 показано схематическое изображение типичной принудительной CVI (FCVI).

Типы керамических матричных композитов и параметры процесса

Таблица 1: Примеры различных процессов КМЦ. [6]

Примеры

Вот несколько примеров использования процесса CVI в производстве:

Композиты углерод/углерод (C/C) На основании предыдущего исследования в качестве преформы выбран углеродный войлок на основе ПАН , а в качестве прекурсора выбран керосин. Инфильтрация матрицы в преформу выполняется при температуре 1050 °C в течение нескольких часов при атмосферном давлении с помощью FCVI. Внутренняя часть верхней поверхности преформы должна иметь температуру 1050 °C, средняя часть — 1080 °C, а внешняя часть — 1020 °C. Для безопасности через реактор протекает газообразный азот. [7]

Карбид кремния / Карбид кремния (SiC/SiC)

Матрица: CH 3 SiCl 3 (г) → SiC(т)+ 3 HCl(г)

Интерфаза: CH 4 (г) → C(т)+ 2H 2 (г)

Волокна SiC служат в качестве заготовки, которая нагревается примерно до 1000 °C в вакууме, а затем в заготовку вводится газ CH4 в качестве промежуточного слоя между волокном и матрицей. Этот процесс длится 70 минут под давлением. Затем метилтрихлорсилан переносится водородом в камеру. Заготовка находится в матрице SiC в течение нескольких часов при температуре 1000 °C под давлением. [8]

Преимущества CVI

Остаточные напряжения ниже из-за более низкой температуры инфильтрации. Можно производить большие сложные формы. Композит, полученный этим методом, имеет улучшенные механические свойства, коррозионную стойкость и термостойкость. Различные матрицы и комбинации волокон могут использоваться для получения различных свойств композита. (SiC, C, Si 3 N 4 , BN, B 4 C, ZrC и т. д.). Волокна и геометрия заготовки практически не повреждаются из-за низкой температуры инфильтрации и давления. [3] Этот процесс обеспечивает значительную гибкость при выборе волокон и матриц. Очень чистую и однородную матрицу можно получить, тщательно контролируя чистоту газов.

Недостатки

Остаточная пористость составляет около 10–15 %, что является высоким показателем; производительность низкая; капитальные вложения, затраты на производство и переработку высокие. [3]

Приложения

CVI используется для создания различных высокопроизводительных компонентов:

Ссылки

  1. ^ Петрак, DR (2001). «Керамические матрицы», Композиты, том 21, Справочник ASM . ASM International. стр. 160–163.
  2. ^ Банг, Кён-Хун; Гуй-Юнг Чунг; Хён-Хой Ку (2011). «Подготовка композитов C/C методом химической инфильтрации паров (CVI) пиролиза пропана». Корейский журнал химической инженерии . 28:1 : 272–278. doi :10.1007/s11814-010-0352-y. S2CID  55540743.
  3. ^ abcde Singh, Dr. Inderdeep. "Mod-06 Lec-04 Chemical Vapour Infiltration". Канал NPTEL на YouTube . Национальная программа по технологическому усовершенствованному обучению . Архивировано из оригинала 21.12.2021 . Получено 21 января 2014 г.
  4. ^ Баласубраманян, М. Композитные материалы и обработка . С. 417–412.
  5. ^ Гуан, Канг; Лайфэй Чэн; Цинфэн Цзэн; Хуэй Ли; Шаньхуа Лю; Цзяньпин Ли; Литонг Чжан (2013). «Прогнозирование проницаемости для химической инфильтрации паров». Журнал Американского керамического общества . 96 (8): 2445–2453. дои : 10.1111/jace.12456.
  6. ^ Naslain, R (19 октября 1992 г.). «Двумерные композиты SiC/SiC, обработанные в соответствии с изобарно-изотермическим химическим парофазным инфильтрационным газовым методом». Журнал сплавов и соединений . 188 : 42–48. doi :10.1016/0925-8388(92)90641-l.
  7. ^ Ван, JP; Цянь, JM; Цяо, GJ; Цзинь, ZH (2006). «Улучшение процесса химической инфильтрации паров при кипении пленки для изготовления крупногабаритного композита C/C». Materials Letters . 60:9 (9–10): 1269–1272. doi :10.1016/j.matlet.2005.11.012.
  8. ^ Yang, W; Araki H; Kohyama A; Thaveethavorn S; Suzuki H; Noda T (2004). "Изготовление in-situ SiC нанопроводов/SiC матричного композита методом химической инфильтрации из паровой фазы". Materials Letters . 58:25 (25): 3145–3148. doi :10.1016/j.matlet.2004.05.059 . Получено 22 января 2014 г. .
  9. ^ Пфайффер, Х.; Питц, К. (октябрь 2002 г.). Полностью керамический корпусной закрылок, прошедший квалификацию для космического полета на X-38 . 53-й Международный астронавтический конгресс. Всемирный космический конгресс – 2002, Хьюстон, Техас. Том IAF-02-I.6.b.01. Bibcode : 2002iaf..confE.485P.
  10. ^ Кренкель, В. (2008). КМЦ для фрикционных применений, в Керамические матричные композиты . Wiley-VCH. стр. 396. ISBN 978-3-527-31361-7.
  11. ^ Пфайффер, Х. (март 2001 г.). Керамический закрылок для X-38 и CRV . 2-й Международный симпозиум по возвращаемым в атмосферу аппаратам и системам, Аркашон, Франция.

Внешние ссылки