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淺淺概述碳碳復(fù)合材料新等溫等壓 CVI 法特點(diǎn)和效果
2001 年 , 德國 Karlsruhe 大學(xué)研究組報(bào)道了 一種關(guān)于 CVI 的新理論和相應(yīng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) , 在實(shí)驗(yàn)中使用了直徑 1 1 1 mm , 長度 32 1 5 mm 的毛細(xì)孔來模擬孔隙 . 用甲烷作為氣源進(jìn)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(yīng)的滯留時(shí)間為 0 1 08 ,0 1 2 ,0 1 5 s. 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) , 當(dāng)毛細(xì)孔外的氣相反應(yīng)進(jìn)行程度被短的氣體滯留時(shí)間所限制時(shí) , 從毛細(xì)孔口到內(nèi)部的沉積坡度是增加的 .增大毛細(xì)孔內(nèi)氣相反應(yīng)的進(jìn)行程度、甲烷壓力和毛細(xì)孔深度均有利于提高坡度 . 縮短滯留時(shí)間明顯地有助于提高坡度 , 相反 , 增長滯留時(shí)間明顯會減少沉積坡度 . 新理論認(rèn)為 , 在傳統(tǒng)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(dāng)時(shí) Kotlenski 是在毛細(xì)孔外滯留時(shí)間不夠短的情況下觀察到從孔口到內(nèi)部沉積坡度減小 , 得出了 炭的化學(xué)氣相滲積是被擴(kuò)散控制的錯(cuò)誤結(jié)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(kuò)散到孔內(nèi)部 , 在內(nèi)部沉積 , 必須用低溫 , 特別是要用低壓 , 這樣就造成傳統(tǒng)等溫 CVI 法的時(shí)間過長 , 而且孔口只是堵塞的慢了 , 一段時(shí)間后照樣又會堵死 , 所以不得不加入中間高溫?zé)崽幚砉ば?, 以打開堵塞的孔口和中間機(jī)加工工序以去除表面涂層硬殼 , 這又得占用大量高能耗設(shè)備 , 進(jìn)一步造成材料成本的增加 , 同時(shí)又浪費(fèi)了 材料 .
因此研究提出 , 沉積過程中甲烷受熱裂變?yōu)榉肿恿扛蟮臒N、環(huán)烴、芳香烴或多環(huán)芳香烴類化合物 ,碳沉積速率隨分子量增大而增大 , 同時(shí)分子量大的烴擴(kuò)散速率會減小 . 如果甲烷在毛細(xì)孔外滯留時(shí)間為無限短的理想情況下 , 也即是其裂變幾乎都是在已進(jìn)入毛細(xì)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(kuò)散出毛細(xì)孔 , 所以從毛細(xì)孔內(nèi)部到孔口 , 氫的濃度是增加的 . 這里 , 芳香烴和多環(huán)芳烴這類大分子進(jìn)行炭沉積時(shí) , 氫起抑制劑的作用 , 其濃度與抑制作用 密 切相關(guān) . 加之高分子化合物特別是芳烴的擴(kuò)散速度非常低 , 而且沉炭速率又很高 , 從毛細(xì)孔口到內(nèi)部沉炭速率是增加的 , 因此 , 導(dǎo)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(shí) , 大分子烴類擴(kuò)散出去會更難 , 所以從孔口至內(nèi)部坡度的增加會更大 .
甲烷是一種非常穩(wěn)定的分子 , 在低壓下 , 活化能范圍從 380 kJ/ mol ( 由元素的反應(yīng)得到的結(jié)果 ) 到356 kJ/ mol( 流動(dòng)反應(yīng)器測定的結(jié)果 ) 或 350 kJ/ mol ( 從CVI 實(shí)驗(yàn)確定的結(jié)果) .用其進(jìn)行炭沉積甚至需要更高的活化能 , 大約 4450 kJ/ mol ; 這個(gè)結(jié)果來自于炭的 C ∞ (H) ———表面復(fù)合物離解時(shí)的速度限制步驟 .因此 , 用甲烷進(jìn)行炭的 CVI 需要較高的溫度 . 前述的各種方法 , 在錯(cuò)誤理論的指導(dǎo)下 , 都不敢使用高溫 ,因而導(dǎo)致沉積周期很長 .
增加甲烷壓力也會增加從毛細(xì)孔口到內(nèi)部的坡度 , 這可能是因?yàn)閴毫υ黾訒p少高分子烴類擴(kuò)散到毛細(xì)孔以外 . 另外 , 高壓意味著更多的氣相反應(yīng)中間產(chǎn)物 , 當(dāng)這些產(chǎn)物在表面反應(yīng)中沒有被完全消耗掉時(shí) , 較大的芳香類烴就會形成 . 隨著沉積的進(jìn)行 , 毛細(xì)孔的表面積與體積的比值會增大 . 這將導(dǎo)致坡度減少 , 在這種情況下為維持氣相反應(yīng)的進(jìn)行程度 , 高壓仍是很重要的 .
在新理論的指導(dǎo)下 , 嚴(yán)格控制毛細(xì)孔外甲烷的滯留時(shí)間 , 采用較高溫度、壓力的等溫等壓 CVI , 僅沉積 120 h , 碳 / 碳復(fù)合材料密度可達(dá) 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?zé)崽幚泶蜷_瓶頸形口及機(jī)械加工工序去除表面涂層的操作 , 節(jié)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(tǒng)的等溫等壓工藝相比 , 其共同點(diǎn)是都采用等溫等壓方法 ; 其區(qū)別是:
(1)前者所采用的溫度、壓力均高于后者;
(2)預(yù)制體外滯留時(shí)間 , 前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于后者;
(3)建立在不同的沉積理論之上 更多碳碳復(fù)合材料信息可查看http://hfmwm.cn
