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淺淺概述碳碳復合材料新等溫等壓 CVI 法特點和效果
2001 年 , 德國 Karlsruhe 大學研究組報道了 一種關于 CVI 的新理論和相應的驗證實驗 , 在實驗中使用了直徑 1 1 1 mm , 長度 32 1 5 mm 的毛細孔來模擬孔隙 . 用甲烷作為氣源進行沉積 , 其溫度為 1 100℃和 1 125 ℃ , 甲烷壓力范圍 10 - 30 KPa , 不同流速氣體對應的滯留時間為 0 1 08 ,0 1 2 ,0 1 5 s. 實驗發現 , 當毛細孔外的氣相反應進行程度被短的氣體滯留時間所限制時 , 從毛細孔口到內部的沉積坡度是增加的 .增大毛細孔內氣相反應的進行程度、甲烷壓力和毛細孔深度均有利于提高坡度 . 縮短滯留時間明顯地有助于提高坡度 , 相反 , 增長滯留時間明顯會減少沉積坡度 . 新理論認為 , 在傳統的等溫等壓 CVI 法中 , 其基本原理是 Kotlenski 在大約 25 年前提出來的 , 當時 Kotlenski 是在毛細孔外滯留時間不夠短的情況下觀察到從孔口到內部沉積坡度減小 , 得出了 炭的化學氣相滲積是被擴散控制的錯誤結論 . 按照此理論 , 要想減小孔口處的沉積速率 , 使孔口不致于過早堵死 , 使氣體盡可能擴散到孔內部 , 在內部沉積 , 必須用低溫 , 特別是要用低壓 , 這樣就造成傳統等溫 CVI 法的時間過長 , 而且孔口只是堵塞的慢了 , 一段時間后照樣又會堵死 , 所以不得不加入中間高溫熱處理工序 , 以打開堵塞的孔口和中間機加工工序以去除表面涂層硬殼 , 這又得占用大量高能耗設備 , 進一步造成材料成本的增加 , 同時又浪費了 材料 .
因此研究提出 , 沉積過程中甲烷受熱裂變為分子量更大的烴、環烴、芳香烴或多環芳香烴類化合物 ,碳沉積速率隨分子量增大而增大 , 同時分子量大的烴擴散速率會減小 . 如果甲烷在毛細孔外滯留時間為無限短的理想情況下 , 也即是其裂變幾乎都是在已進入毛細孔后開始的 , 裂變生成分子量大的烴類和氫 , 其中氫的濃度很高 . 氫非常容易擴散出毛細孔 , 所以從毛細孔內部到孔口 , 氫的濃度是增加的 . 這里 , 芳香烴和多環芳烴這類大分子進行炭沉積時 , 氫起抑制劑的作用 , 其濃度與抑制作用 密 切相關 . 加之高分子化合物特別是芳烴的擴散速度非常低 , 而且沉炭速率又很高 , 從毛細孔口到內部沉炭速率是增加的 , 因此 , 導致沉積的坡度增加 . 這對具有瓶頸形孔口的孔隙增密是極其有利的 . 若孔深度
加深時 , 大分子烴類擴散出去會更難 , 所以從孔口至內部坡度的增加會更大 .
甲烷是一種非常穩定的分子 , 在低壓下 , 活化能范圍從 380 kJ/ mol ( 由元素的反應得到的結果 ) 到356 kJ/ mol( 流動反應器測定的結果 ) 或 350 kJ/ mol ( 從CVI 實驗確定的結果) .用其進行炭沉積甚至需要更高的活化能 , 大約 4450 kJ/ mol ; 這個結果來自于炭的 C ∞ (H) ———表面復合物離解時的速度限制步驟 .因此 , 用甲烷進行炭的 CVI 需要較高的溫度 . 前述的各種方法 , 在錯誤理論的指導下 , 都不敢使用高溫 ,因而導致沉積周期很長 .
增加甲烷壓力也會增加從毛細孔口到內部的坡度 , 這可能是因為壓力增加會減少高分子烴類擴散到毛細孔以外 . 另外 , 高壓意味著更多的氣相反應中間產物 , 當這些產物在表面反應中沒有被完全消耗掉時 , 較大的芳香類烴就會形成 . 隨著沉積的進行 , 毛細孔的表面積與體積的比值會增大 . 這將導致坡度減少 , 在這種情況下為維持氣相反應的進行程度 , 高壓仍是很重要的 .
在新理論的指導下 , 嚴格控制毛細孔外甲烷的滯留時間 , 采用較高溫度、壓力的等溫等壓 CVI , 僅沉積 120 h , 碳 / 碳復合材料密度可達 1 1 9 g/ cm 3 , 且顯微組織為粗糙層炭 (RL) , 各種性能好 , 不需中間高溫熱處理打開瓶頸形口及機械加工工序去除表面涂層的操作 , 節約了 制品材料 , 簡化了 工藝 , 這將使得這種高性能材料走向民用逐漸成為可能 .
綜上所述 , 新的等溫等壓 CVI 與傳統的等溫等壓工藝相比 , 其共同點是都采用等溫等壓方法 ; 其區別是:
(1)前者所采用的溫度、壓力均高于后者;
(2)預制體外滯留時間 , 前者遠遠低于后者;
(3)建立在不同的沉積理論之上 更多碳碳復合材料信息可查看http://www.zjxycs.cn
