-
咨詢服務CONSULTING SERVICE -
精細加工FINE MACHINING -
廠家直銷DIRECT DEAL -
大量現貨LARGE STOCK -
來圖訂制CUSTOM DRAWING
碳碳復合材料制備工藝的步驟原理
C/C 復合材料坯體致密化是向坯體中引入碳基體的過程， 實質是用高質量的碳填滿 CF 周圍的空隙， 以獲得結構、 性能優良的 C/C 復合材料。 最常用的有液相浸漬工藝和化學氣相沉積(CVD)工藝。
液相浸漬工藝
液相浸漬工藝仍是制造 C/C 復合材料的一種主要工藝， 它是將上述各種增強坯體和樹脂或瀝青等有機物一起進行浸漬， 并用熱處理方法在惰性氣氛中將有機物轉化為碳的過程。 浸漬劑有樹脂和瀝青， 浸漬工藝包括低壓、 中壓和高壓浸漬工藝。(1)基本原理
樹脂、 瀝青含碳有機物， 主要是一些芳香族熱固性樹脂(如酚醛、 呋喃、 環氧)、煤瀝青和石油瀝青、 瀝青樹脂混合物等， 它們受熱后會發生一系列變化， 以樹脂為例，其典型變化過程是:樹脂體膨脹→揮發物(殘余溶劑、 水分、 氣體等)逸出→高分子鏈斷裂、自由基形成→芳香化， 形成苯環→芳香化結構增長→結晶化， 堆積成平行碳層(層面內碳原子排列成六角環形， 層間無規律)→堆積繼續增長→無規則碳或部分石墨化碳。 樹脂碳的結構， 由其構成的復合材料的性能在很大程度上取決于含碳有機物的種類及致密化過程的工藝條件。
(2)樹脂系統的選擇
為使樹脂在熱解過程中盡可能多的轉變為碳且不出現結構缺陷， 要求樹脂、 瀝青等含碳有機物應具備下列特性:
①殘碳率高:殘碳率高可減少反復浸漬碳化次數， 減少碳化過程的收縮。
②碳化時應有低的蒸汽壓， 使分解形成的低分子物并不揮發掉， 而是進一步環化。
③碳化不應過早地轉變為堅硬的固態。
④固化后樹脂、 瀝青的熱變形溫度高。
⑤固化、 碳化時不易封閉坯體的孔隙通道。
(3)液相浸漬法工藝
典型工藝過程是:浸漬→碳化→石墨化。 經過這些過程后， C/C 復合材料制品仍為一疏松結構， 內部含有大量孔隙空洞， 需反復進行浸漬→碳化等過程使制品孔隙逐漸被充滿， 達到所需要的致密度。 為了使含碳有機物盡可能多地滲入到纖維束中去， 可采用加壓浸漬→加壓碳化工藝， 所加壓力小至幾個大氣壓， 大到成百上千個大氣壓。液相浸漬法采用常規的技術容易制得尺寸穩定的制品， 缺點是工藝繁雜， 制品易產生顯微裂紋， 分層等缺陷。
CVD 工藝
CVD 工藝是最早采用的一種 C/C 復合材料致密化工藝， 其過程為把 CF 坯體放入專用 CVD 爐中， 加熱至所要求的溫度， 通入碳氫氣體， 這些氣體分解并在坯體內 CF 周圍
空隙中沉積碳。
(1)基本原理
碳氫氣體(如 CH4、 C2H6、 C3H3、 C2H4)等受熱時， 形成若干活性基， 活性基與 CF表面接觸時， 就沉積出碳， 以甲烷為例， 此過程可用下列模型表示式中Δ Q 為裂解必需的， 由外部加入的能量。CVD 法的優點是工藝簡單， 坯體的開口孔隙很多， 增密的程度便于精確控制， 易于獲得性能良好的 C/C 復合材料。 缺點是制備周期太長， 生產效率很低。
(2)CVD C/C 復合材料的基本方法
CVD 法包括等溫法、 熱梯度法、 壓差法、 脈沖法、 等離子體輔助 CVD 法。
①等溫法:即將坯體放在等溫的空間里， 在適當的壓力下， 讓碳氫氣體不斷地從坯體表面流過， 靠氣體的擴散作用， 反應氣體進入樣品孔隙內進行沉積， 該法特點是工藝簡單， 但周期很長， 制品易產生表面涂層， 最終密度不高。
②熱梯度法:在坯體內外表面形成一定溫度差， 讓碳氫氣體在坯體低溫表面流過，同樣， 也是依靠氣體擴散作用， 反應氣體擴散進孔隙內進行沉積， 由于反應氣體首先接觸的是低溫表面， 因此， 大量的沉積發生在樣品里側， 表面很少沉積或不沉積， 隨著沉積過程的進行， 坯體里側被致密化， 內外表面溫差越來越小， 沉積帶逐漸外移， 最終得到從里至外完全致密的制品。 此法周期較短， 制品密度較高， 存在的問題是重復性差，不能在同一時間內沉積不同坯體和多個坯體， 坯體的形狀也不能太復雜。
③壓差法:壓差法是均熱法的一種變化， 是在沿坯體厚度方向上造成的一定的氣體壓力差， 反應氣體被強行通過多孔坯體。 此法沉積速度快， 沉積滲透時間較短， 沉積的碳均勻， 制品不易形成表面涂層。
④脈沖法:此法是一種改進了的均熱法， 在沉積過程中， 利用脈沖閥交替地充氣和抽真空， 抽真空過程有利于氣體反應產物的排除。 由于脈沖法能增加滲透深度， 故適合于 C/C 復合材料后期致密化。
⑤等離子體輔助 CVD 法(PACVD):在常規的 CVD 技術中需要用外加熱使初始反應的碳氫氣體分解， 而在 PACVD 技術中是利用等離子體中電子的動能去激發氣相化學反應。PACVD 的輝光放電等離子體是施加高頻電場電離的低壓和低溫氣體。 等離子體的電離狀態是由其中高能電子以某種方式來維持的， 施加電場時， 由于電子質量輕， 所以傳遞電子的能量高， 同時由于等離子體中電子與離子質量的差別， 限制了電子將能量傳遞給離子， 結果電子的動能被迅速增加到能發生非彈性碰撞的程度， 此時高能電子引起電離，并通過與碳氫氣體分子的相互作用而形成自由基， 自由基在坯體里聚合形成沉積碳。 由于等離子體有較高的能量， 所以在相當低的溫度(典型值低于 300℃)激發化學反應， 與此同時由于其非平衡性， 等離子體不會加熱碳氫氣體和坯體。 但 PACVD 與常規的 CVD化學反應熱力學原理不同， 形成的沉積碳結構差別很大。跟多碳碳復合材料信息可查看http://m.zjxycs.cn
