Инфильтрация химических паров - Википедия - Chemical vapor infiltration

Химическая инфильтрация паров (CVI) это керамическая инженерия процесс, при котором матричный материал проникает в волокнистые преформы с использованием реактивных газов при повышенной температуре с образованием композиты, армированные волокном.[1] Самым ранним применением CVI была инфильтрация фиброзной глинозем с карбид хрома.[2] CVI может применяться для производства углерод-углерод композиты и композиты с керамической матрицей. Похожая техника химическое осаждение из паровой фазы (CVD), основное отличие состоит в том, что осаждение CVD осуществляется на горячие объемные поверхности, а осаждение CVI - на пористые подложки.

Процесс

Рисунок 1. Обычная инфильтрация химического пара.[3]
• Материал матрицы, переносимый газом
↑ Газ-носитель
    Не в масштабе
Рост CVI. Фигура 2.[3]

Во время химической инфильтрации паров волокнистая преформа поддерживается на пористой металлической пластине, через которую при повышенной температуре пропускается смесь газа-носителя и материала матрицы. Заготовки могут быть изготовлены из пряжи или тканых материалов, либо они могут быть намотаны нитями или плетутся трехмерными формами.[4] Инфильтрация происходит в реакторе, который соединен с установкой для очистки сточных вод, где газы и остаточный матричный материал подвергаются химической обработке. Индукционный нагрев используется в обычном изотермический и изобарический CVI.

Типичная демонстрация процесса показана на рисунке 1. Здесь газы и матричный материал поступают в реактор из системы подачи в нижней части реактора. Волокнистая преформа подвергается химической реакции при высокой температуре с материалом матрицы, и, таким образом, последний проникает в щели волокна или преформы.

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 переносятся на установку для очистки сточных вод.[5]

Модифицированный CVI

Рисунок 3. Модифицированная инфильтрация химического пара.[3]
• Материал матрицы, переносимый газом
↑ Газ-носитель
    Не в масштабе

Метод «горячей стены» - изотермический и изобарический CVI, все еще широко используется. Однако время обработки обычно очень велико, а скорость осаждения низкая, поэтому были изобретены новые пути для разработки более быстрых методов инфильтрации: термоградиентный CVI с принудительным потоком - в этом процессе принудительный поток газов и матричного материала используется для получения менее пористого и более однородно плотного материала. Здесь газовая смесь вместе с матричным материалом проходит под давлением через преформу или волокнистый материал. Этот процесс осуществляется при градиенте температуры от 1050 ° C в зоне с водяным охлаждением до 1200 ° C в зоне печи. На рисунке 3 схематически показан типичный CVI с принудительным потоком (FCVI).

Типы композитов с керамической матрицей с параметрами процесса

Таблица 1: Примеры различных процессов CMC.[6]

ВолокноМатрицаОбычный предшественникТемпература (℃)Давление (кПа)Процесс
УглеродУглеродКеросин, МетанПриблизительно 10001CVI с принудительным потоком
УглеродКарбид кремнияCH3SiCl3 -ЧАС2Приблизительно 10001CVI с принудительным потоком
Карбид кремнияКарбид кремнияCH3SiCl3-ЧАС2900-110010-100Изобарический - CVI с принудительным потоком
ГлиноземГлиноземAlCl3 CO2-ЧАС2900-11002-3CVI

Примеры

Вот некоторые примеры использования процесса CVI в производстве:

Углерод / углеродные композиты (C / C)На основании предыдущего исследования СКОВОРОДА В качестве преформы выбран углеродный войлок, а в качестве прекурсора - керосин. Пропитка матрицы в преформу выполняется FCVI при 1050 ℃ в течение нескольких часов при атмосферном давлении. Температура внутренней части верхней поверхности преформы должна составлять 1050 ℃, средняя - 1080 ℃, а внешняя - 1020 ℃. Газообразный азот проходит через реактор в целях безопасности.[7]

Карбид кремния / карбид кремния (SiC / SiC)

Матрица ： CH3SiCl3 (грамм) → SiC (тв) + 3 HCl (г)

Межфазный: CH4(грамм) → C (т) + 2H2(грамм)

Волокна SiC служат в качестве преформы, которую нагревают примерно до 1000 ℃ в вакууме, а затем CH4 газ вводится в преформу как прослойку между волокном и матрицей. Под давлением этот процесс длится 70 минут. Далее метилтрихлорсилан переносился водородом в камеру. Заготовка находится в матрице SiC в течение нескольких часов при температуре 1000 ℃ под давлением.[8]

Преимущества CVI

Остаточные напряжения ниже из-за более низкой температуры инфильтрации. Возможно изготовление больших сложных форм. Композиты, полученные этим методом, обладают повышенными механическими свойствами, коррозионной стойкостью и термостойкостью. Различные матрицы и комбинации волокон могут использоваться для получения композитов с разными свойствами. (SiC, C, Si3N4, BN, B4C, ZrC и др.). Волокна и геометрия преформы практически не повреждаются из-за низкой температуры инфильтрации и давления.[3] Этот процесс дает значительную гибкость при выборе волокон и матриц. Очень чистую и однородную матрицу можно получить, тщательно контролируя чистоту газов.

Недостатки

Остаточная пористость составляет от 10 до 15%, что является высоким показателем; скорость добычи низкая; капитальные вложения, затраты на производство и переработку высоки.[3]

Приложения

CVI используется для создания множества высокопроизводительных компонентов:

  • Системы теплозащитного экрана для космических аппаратов.[9]
  • Высокотемпературные системы, такие как камеры сгорания, лопатки турбины, лопатки статора и дисковые тормоза, которые подвергаются сильному тепловому удару.[10]
  • В случае горелок, высокотемпературных клапанов и газоходов используются оксиды КМЦ. Компоненты подшипников скольжения для обеспечения коррозионной стойкости и износостойкости.[11]

Рекомендации

  1. ^ Петрак, Д. (2001). «Керамические матрицы», Композиты, Том 21, Справочник ASM. ASM International. С. 160–163.
  2. ^ Банг, Кён-Хун; Гуй-Юнг Чунг; Хён-Хой Ку (2011). «Приготовление композитов C / C методом химической паровой инфильтрации (CVI) пиролиза пропана». Корейский журнал химической инженерии. 28:1: 272–278. Дои:10.1007 / s11814-010-0352-у. S2CID  55540743.
  3. ^ а б c d е Сингх, доктор Индердип. "Mod-06 Lec-04 Химическая инфильтрация паров". Канал NPTEL на YouTube. Национальная программа обучения с использованием технологий. Получено 21 января 2014.
  4. ^ Баласубраманян, М. Композиционные материалы и обработка. С. 417–412.
  5. ^ Гуань, Канг; Лайфей Ченг; Цинфэн Цзэн; Хуэй Ли; Шанхуа Лю; Цзяньпин Ли; Литун Чжан (2013). «Прогноз проницаемости для проникновения химических паров». Журнал Американского керамического общества. 96 (8): 2445–2453. Дои:10.1111 / jace.12456.
  6. ^ Наслен Р. (19 октября 1992 г.). «Двумерные композиты SiC / SiC, обработанные в соответствии с изобарно-изотермической газофазной фильтрацией химических паров». Журнал сплавов и соединений. 188: 42–48. Дои:10.1016 / 0925-8388 (92) 90641-л.
  7. ^ Wang, J. P .; Qian, J.M .; Qiao, G.J .; Джин, З. Х. (2006). «Усовершенствование процесса инфильтрации паров химического паров пленочного кипения для изготовления композитных материалов большого размера». Письма о материалах. 60:9 (9–10): 1269–1272. Дои:10.1016 / j.matlet.2005.11.012.
  8. ^ Ян, Вт; Araki H; Кохьяма А; Thaveethavorn S; Suzuki H; Нода Т (2004). «Изготовление на месте SiC нанопроволок / матричного композита SiC методом химической паровой инфильтрации». Письма о материалах. 58:25 (25): 3145–3148. Дои:10.1016 / j.matlet.2004.05.059. Получено 22 января 2014.
  9. ^ Pfeiffer, H .; Питц, К. (октябрь 2002 г.). Цельнокерамический откидной борт, пригодный для космического полета на X-38. 53-й Международный астронавтический конгресс Всемирный космический конгресс - 2002, Хьюстон, Техас. IAF-02-I.6.b.01. Bibcode:2002iaf..confE.485P.
  10. ^ Кренкель, В. (2008). КМЦ для трения в композитах с керамической матрицей. Wiley-VCH. п. 396. ISBN  978-3-527-31361-7.
  11. ^ Pfeiffer, H (март 2001 г.). Керамическая крышка корпуса для X-38 и CRV. 2-й Международный симпозиум по возвращающимся в атмосферу аппаратам и системам, Аркашон, Франция.

внешняя ссылка