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淺淺概述碳碳復(fù)合材料新等溫等壓 CVI 法特點和效果
2001 年 , 德國 Karlsruhe 大學(xué)研究組報道了 一種關(guān)于 CVI 的新理論和相應(yīng)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(yīng)的滯留時間為 0 1 08 ,0 1 2 ,0 1 5 s. 實驗發(fā)現(xiàn) , 當毛細孔外的氣相反應(yīng)進行程度被短的氣體滯留時間所限制時 , 從毛細孔口到內(nèi)部的沉積坡度是增加的 .增大毛細孔內(nèi)氣相反應(yīng)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(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(nèi)部沉積坡度減小 , 得出了 炭的化學(xué)氣相滲積是被擴散控制的錯誤結(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(shè)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?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(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(guān) . 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(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 , 大分子烴類擴散出去會更難 , 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( 流動反應(yīng)器測定的結(jié)果 ) 或 350 kJ/ mol ( 從CVI 實驗確定的結(jié)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(jié)果來自于炭的 C ∞ (H) ———表面復(fù)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(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孔口到內(nèi)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(yīng)中間產(chǎn)物 , 當這些產(chǎn)物在表面反應(yīng)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(dǎo)致坡度減少 , 在這種情況下為維持氣相反應(yīng)的進行程度 , 高壓仍是很重要的 .
在新理論的指導(dǎo)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(fù)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(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(fù)合材料信息可查看http://21xtrc.cn
