Химическая паровая инфильтрация
Химическая паровая инфильтрация ( CVI ) — это технологический процесс керамики , при котором матричный материал проникает в волокнистые заготовки с помощью химически активных газов при повышенной температуре с образованием армированных волокном композитов . [1] Самым ранним применением CVI была пропитка волокнистого оксида алюминия карбидом хрома . [2] CVI может применяться для производства углерод-углеродных композитов и композитов с керамической матрицей . Аналогичным методом является химическое осаждение из паровой фазы (CVD), основное отличие которого состоит в том, что осаждение CVD происходит на горячие объемные поверхности, а осаждение CVI - на пористые подложки.
Процесс
[ редактировать ]
• Материал матрицы, переносимый газом
↑ Газ-носитель
Нарисовано не в масштабе
Во время химической паровой инфильтрации волокнистая заготовка поддерживается на пористой металлической пластине, через которую при повышенной температуре пропускают смесь газа-носителя вместе с матричным материалом. Преформы могут быть изготовлены с использованием пряжи или тканых материалов, или они могут иметь трехмерную форму, навитую нитями или плетеную. [4] Инфильтрация происходит в реакторе, который соединен с установкой очистки сточных вод, где газы и остаточный матричный материал подвергаются химической обработке. Индукционный нагрев используется в обычных изотермических и изобарических ХВН.
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 материалом матрицы, в результате чего последний проникает в щели волокна или заготовки.
Механизм роста CVI показан на рисунке 2. Здесь, когда происходит реакция 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 передаются на очистные сооружения. [5]
Модифицированный CVI
[ редактировать ]
• Материал матрицы, переносимый газом
↑ Газ-носитель
Нарисовано не в масштабе
Метод «горячей стены» – изотермический и изобарический CVI – до сих пор широко используется. Однако время обработки обычно очень велико, а скорость осаждения низкая, поэтому были изобретены новые маршруты для разработки более быстрых методов проникновения:Термический градиент CVI с принудительным потоком. В этом процессе используется принудительный поток газов и матричного материала для получения менее пористого и более однородного плотного материала. Здесь газовая смесь вместе с матричным материалом пропускается под давлением через заготовку или волокнистый материал. Этот процесс осуществляется при градиенте температуры от 1050 °С в зоне водоохлаждения до 1200 °С в зоне печи. На рисунке 3 показано схематическое изображение типичного CVI с принудительным потоком (FCVI).
Виды керамических матричных композитов с технологическими параметрами
[ редактировать ]Таблица 1: Примеры различных процессов получения КМЦ. [6]
| Волокно | Матрица | Общий предшественник | Температура (°С) | Давление (кПа) | Процесс |
|---|---|---|---|---|---|
| Углерод | Углерод | Керосин, Метан | Примерно 1000 | 1 | CVI с принудительным потоком |
| Углерод | Карбид кремния | СН 3 SiCl 3 -H 2 | Примерно 1000 | 1 | CVI с принудительным потоком |
| Карбид кремния | Карбид кремния | СН 3 SiCl 3 -H 2 | 900-1100 | 10-100 | Изобарический – CVI с принудительным потоком |
| глинозем | глинозем | AlCl 3 CO 2 -H 2 | 900-1100 | 2-3 | ХВИ |
Примеры
[ редактировать ]Некоторые примеры использования процесса CVI в производстве:
Углерод / Углеродные композиты (C/C) На основе предыдущего исследования в качестве преформы выбран углеродный войлок на основе ПАН , а в качестве прекурсора выбран керосин. Пропитку матрицы в заготовке проводят при температуре 1050°С в течение нескольких часов при атмосферном давлении с помощью FCVI. Температура внутренней и верхней поверхности преформы должна поддерживаться на уровне 1050 °С, средней — 1080 °С и внешней — 1020 °С. В целях безопасности через реактор проходит 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(s)+ 2H 2 (г)
Волокна SiC служат заготовкой, которую нагревают примерно до 1000°C в вакууме, а затем CH 4 в заготовку вводят газ в качестве промежуточного слоя между волокном и матрицей. Этот процесс длится 70 минут под давлением. Далее метилтрихлорсилан переносился водородом в камеру. Преформа находится в матрице SiC в течение нескольких часов при температуре 1000 °C под давлением. [8]
Преимущества КВИ
[ редактировать ]Остаточные напряжения ниже из-за более низкой температуры инфильтрации. Возможно изготовление больших и сложных форм. Композиты, полученные этим методом, обладают повышенными механическими свойствами, коррозионной стойкостью и термостойкостью. Для получения композита с различными свойствами можно использовать различные матрицы и комбинации волокон. (SiC, C, Si 3 N 4 , BN, B 4 C, ZrC и т.д.). Волокна и геометрия заготовки повреждаются очень незначительно из-за низкой температуры и давления пропитки. [3] Этот процесс дает значительную гибкость при выборе волокон и матриц. Очень чистую и однородную матрицу можно получить, тщательно контролируя чистоту газов.
Недостатки
[ редактировать ]Остаточная пористость составляет от 10 до 15%, что является высоким показателем; производительность низкая; капиталовложения, затраты на производство и переработку высоки. [3]
Приложения
[ редактировать ]CVI используется для создания различных высокопроизводительных компонентов:
- Системы теплозащиты для космических аппаратов. [9]
- Высокотемпературные системы, такие как камеры сгорания, лопатки турбин, лопатки статора и дисковые тормоза, которые подвергаются сильному термическому удару. [10]
- В горелках, высокотемпературной арматуре и газоходах используются оксиды КМЦ. Компоненты подшипников скольжения, обеспечивающие коррозионную стойкость и износостойкость. [11]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Петрак, Д.Р. (2001). «Керамические матрицы», Композиты, Том 21, Справочник ASM . АСМ Интернешнл. стр. 160–163.
- ^ Банг, Кён Хун; Гуй-Юнг Чунг; Хён-Хой Ку (2011). «Получение композитов C/C методом химической паровой инфильтрации (CVI) пиролиза пропана». Корейский журнал химической инженерии . 28:1 : 272–278. дои : 10.1007/s11814-010-0352-y . S2CID 55540743 .
- ^ Jump up to: а б с д и Сингх, доктор Индердип. «Химическая паровая инфильтрация Mod-06 Lec-04» . YouTube-канал НПТЕЛ . Национальная программа по технологическому обучению . Архивировано из оригинала 21 декабря 2021 г. Проверено 21 января 2014 г.
- ^ Баласубраманян, М. Композиционные материалы и обработка . стр. 417–412.
- ^ 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 .
- ^ Наслен, Р. (19 октября 1992 г.). «Двумерные композиты SiC/SiC, обработанные по изобарно-изотермическому методу газофазной химической инфильтрации паров». Журнал сплавов и соединений . 188 : 42–48. дои : 10.1016/0925-8388(92)90641-л .
- ^ Ван, Япония; Цянь, Дж. М.; Цяо, Дж.Дж.; Джин, ZH (2006). «Усовершенствование процесса инфильтрации паров пленочно-кипящих химикатов для изготовления крупногабаритного композита C/C» . Материалы писем . 60:9 (9–10): 1269–1272. дои : 10.1016/j.matlet.2005.11.012 .
- ^ Ян, В; Араки Х; Кохьяма А; Тавитхаворн С; Сузуки Х; Нода Т (2004). «Изготовление на месте композита нанопроволоки SiC/матрицы SiC методом химической инфильтрации из паровой фазы» . Материалы писем . 58:25 (25): 3145–3148. дои : 10.1016/j.matlet.2004.05.059 . Проверено 22 января 2014 г.
- ^ Пфайффер, Х.; Питц, К. (октябрь 2002 г.). Цельнокерамический лоскут кузова, допущенный к космическим полетам на X-38 . 53-й Международный астронавтический конгресс. Всемирный космический конгресс – 2002 г., Хьюстон, Техас. Том. ИАФ-02-И.6.б.01. Бибкод : 2002iaf..confE.485P .
- ^ Кренкель, В. (2008). КМЦ для фрикционных применений в композитах с керамической матрицей . Вайли-ВЧ. п. 396. ИСБН 978-3-527-31361-7 .
- ^ Пфайффер, Х. (март 2001 г.). Керамическая крышка корпуса для X-38 и CRV . 2-й Международный симпозиум по возвращаемым аппаратам и системам в атмосфере, Аркашон, Франция.