单向碳/碳复合材料CVI 致密化模拟研究

采用有限差分模型对单向碳/碳复合材料的化学气相渗透(CV I) 过程进行模拟, 并设计了对照实验对模型进行了验证。模型所预测的预制体密度随渗透时间变化关系曲线与对照实验结果较为吻合, 反映了模型的准确性和实用性。此外通过模型还可得到致密化过程中气体在预制体内的分布情况, 对复合材料致密化均匀性进行表征, 并可获得材料孔隙率变化特点等一系列重要信息, 为CV I 机理的深入研究打下了良好的基础, 对CV I 工艺的改进和优化有较强的指导意义。      

快速致密化制备C/C复合材料的新发展

综述了炭/炭复合材料致密化制备技术、影响因素及热解炭的组织与沉积机理,介绍了国际上炭/炭复合材料快速致密的新动向.快速低成本炭/炭复合材料制造技术在竞相发展.     

热梯度CVI制备大尺寸C/C复合材料的致密化行为

以整体毡为纤维增强体, 采用外壁恒温控温和内壁恒温控温两种方式, 通过热梯度化学气相渗透(TG-CVI)工艺研究了大尺寸C/C复合材料的致密化行为。结果表明, 外壁恒温控温方式制备的试样密度仅为0.64 g/cm³, 呈现出两边高中间低的特点, 热解碳结构为粗糙层与光滑层相结合。而内壁恒温控温方式制备的试样密度达到0.98 g/cm³, 致密效率相比提高了73.79%, 热解碳结构为具有优异性能的粗糙层结构, 试样内部密度分布均匀。通过与外壁恒温控温相比, 内壁恒温控温方式具有较高的温度和合适的温度梯度, 致密化行为符合理想致密化模型, 能够实现大尺寸C/C复合材料由内至外的正向密度增长, 致密均匀, 致密效率高, 且碳结构优异。     

薄膜沸腾CVI双热源加热法制备C/C复合材料及其致密化特性

采用薄膜沸腾CVI以双热源加热的方法在900~1200℃下热解二甲苯前驱体增密二维针刺炭毡预制体,30~35h内制备出密度1.70g/cm3~1.73 g/cm3的C/C复合材料。研究致密化过程中热解炭基体的沉积速率变化规律,应用排水法和偏光显微镜分别测试材料的密度及热解炭层的厚度。结果表明,当沉积温度由900~1000℃升高至1100~1200℃时,沉积前沿的厚度拓宽,热解炭的初始沉积速率增大,但高沉积温度下预制体边缘将优先完成致密化,导致材料的平均密度由1.72~1.73g/cm3降低至1.70,致密化均匀性变差,材料轴向和径向方向的密度偏差高于0.04g/cm3。上热源开多个轴向通孔可使沉积前沿的厚度减小,前驱体在预制体内的传输效率提高,进而改善较高沉积温度下材料的致密化效果。     

炭/炭复合材料CVI工艺的数值模拟现状

从预制体结构模型、动力学模型和模拟算法等方面综述了国内外炭/炭复合材料CVI(chemical vapor infilration)工艺数值模拟的研究现状,着重阐述了各种结构模型的优缺点,各种传质动力学模型的前提假设,指出了数值模拟所面临的困难和应解决的关键问题.     

C/C复合材料等温CVI工艺Mamdani模糊系统建模

利用隶属函数表征了碳/碳(C/C)复合材料CVI工艺各主要影响因素,基于Matlab模糊逻辑工具箱,建立了C/C复合材料等温CVI工艺Mamdani模糊系统模型,分析了沉积温度、沉积时间、预制体纤维体积分数和前驱碳氢气体与稀释气体的比率对制件密度的影响。预制体纤维体积分数是直接影响材料的密度和其它性能的因素;CVI工艺受热解化学反应和前驱气体扩散两个主要过程的控制,沉积温度或前驱碳氢气体比率升高,能够加快热解化学反应速度,使沉积速率在沉积前期(t<300h)具有较高的值,但导致材料的密度梯度增大,使后期沉积极为困难。     

碳/碳复合材料快速CVI致密化技术研究进展

综述了快速化学气相渗透技术在国内外的研究现状,指出并分析了应着重解决的一些问题与不足。简要概述了几种快速致密化技术的模拟研究进展。     

C/C复合材料致密化工艺的研究进展

详细叙述了C/C复合材料致密化制备技术及其在国内外的研究进展,分析评价了液相浸渍、传统化学气相渗透、改进传统化学气相渗透以及其它快速致密化技术的优缺点.液相浸溃工艺繁杂,需要多次反复浸溃.传统化学气相渗透工艺简单、易于操作,但周期过长,效率低.近年来出现的新型致密化工艺虽然大大缩短了制备周期,但大多只局限于实验室规模,存在着实用化和适应性问题.     

炭/炭复合材料新型热梯度制备工艺

对传统的热梯度化学气相渗透工艺进行了改进.把高热导率(55W/(m·℃))的48k炭纤维束穿入针刺炭毡预制体中心.利用炭纤维束和炭毡预制体热导率(0.15W/(m·℃))的差异,在预制体内部产生热梯度.在900℃～1200℃下,天然气首先在预制体中心的48k炭纤维处热解,致密化沿径向由中心向外部推进,67 h后材料的密度达1.778 g/cm3.研究了炉内输入电压、电阻、致密化时间、沉积层位置等工艺参数对材料性能的影响.通过偏光显微镜和扫描电子显微镜研究了基体热解碳的微观结构,并对炭纤维体积含量为10%的炭/炭试样进行了烧蚀性能测试.     

化学液气相渗透致密快速制备炭/炭复合材料

探索了一种的炭/炭制备方法-快速化学液气相渗透致密(CLVD),沉积时间3h内可获得密度达1.74g/cm3的炭/炭材料.预制体为环形炭毡制件(160mm×80mm×10mm),以液态低分子有机物(CYH和KEE)作炭源前躯体,将预制体浸泡在液体炭源前驱体中,利用辐射加热,在预制体范围内造成由内而外的温度梯度.研究表明,在900℃～1100℃沉积温度范围内,炭纤维表面最大沉积速率为64μm/h,比等温CVI的沉积速率 (0.1μm/h～0.25μm/h)快2个数量级以上.同时,分析并提出了该方法快速致密多孔预制体的机理.     

催化化学气相渗透法制备C/C复合材料

为了提高基体炭的沉积效率和抗氧化性能，采用常规化学气相渗透法催化制备C／C复合材料。研究了Ni／ZSM-5负载型催化剂对热解炭的致密化速率和性能的影响，并借助偏光显微镜（PLM）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射法（XRD）表征了热解炭微观结构。结果表明：在添加Ni／ZSM-5的炭布预制体中，热解炭有较快的沉积速率，其微观结构和抗氧化性能均与催化剂有关。     

CVI法制备2D C/C复合材料

采用预制体直接加热模式的CVI工艺在25．5h内制备出24mm厚的2DC／C复合材料，分析了该工艺快速致密的机理，并观察和测试了材料的微观结构和力学性能。结果表明：该工艺能在较短时间内制备出结构均匀、力学性能较好的C／C复合材料，是一种制备C／C复合材料较为理想的工艺。其快速致密机理可认为：自由基磁吸引作用、自由基电沉积作用和自由基脱氢聚合三个方面。     

Fabrication of SiCf/SiC composites by chemical vapor infiltration and vapor silicon infiltration

Three-dimensional (3D) silicon carbide fiber reinforced silicon carbide matrix (SiC_f/SiC) composites, employing KD-1 SiC fibers (from National University of Defense Technology, China) as reinforcements, were fabricated by a combining chemical vapor infiltration (CVI) and vapor silicon infiltration (VSI) process. The microstructure and properties of the as prepared SiC_f/SiC composites were studied. The results show that the density and open porosity of the as prepared SiC_f/SiC composites are 2.1 g/cm³ and 7.7%, respectively. The SiC fibers are not severely damaged during the VSI process. And the SiC fibers adhere to the matrix with a weak interface, therefore the SiC_f/SiC composites exhibit non-catastrophic failure behavior with the flexural strength of 270 MPa, fracture toughness of 11.4 MPa·m^1/2 and shear strength of 25.7 MPa at ambient conditions. Moreover, the flexural strength decreases sharply at the temperature higher than 1200 °C. In addition, the thermal conductivity is 10.6 W/mk at room temperature.     

微波热解CVI法制备C/C复合材料

在传统CVI工艺的基础上,提出了一种新的炭/炭复合材料沉积致密化技术-微波热解CVI工艺.该工艺采用微波炉加热炭毡预制体,预制体自身发热,并通过控制微波场强分布和热传导过程产生温度梯度,加上微波对极性分子的极化作用和对热解反应和表面沉积反应的催化作用,使预制体从中心至表面逐层快速致密.通过考察炭毡预制体经微波加热后的温度场分布和沉积样品的体积密度变化和径向密度分布,观察材料的微观结构,分析了预制体的致密化过程.结果表明:微波热解CVI工艺在1075℃～1150℃的沉积温度下,以甲烷为碳源前驱体,经90 h的热解沉积,成功制备出体积密度为1.70 g/nc3的炭/炭复合材料,平均致密化速率达到0.0189g/(cm3·h);避免了表面结壳现象,热解炭沿着纤维表面层状生长;采用该工艺制备了结构均匀、主要为中等织构的热解炭.     

煤油蒸气为前驱体热梯度CVI法制备C/C复合材料

以炭毡为预制体,煤油蒸气为前驱体,利用两个热源分别加热预制体的上下表面,形成两个热梯度和双沉积面,第三个热源加热前驱体保证反应气体的供给,采用这种改进的化学液相气化渗入法快速制备了炭/炭(C/C)复合材料.对C/C复合材料的密度和气孔率进行了表征,并通过XRD,SEM等方法对其石墨化程度、显微结构进行了研究.结果表明:C/C复合材料的密度随沉积温度的升高呈线性增加,而气孔率逐渐减小,体积密度为0.2g/cm3的预制体在1100℃沉积3h后密度达到1.72g/cm3.2200℃热处理后,C/C复合材料的d002显著降低,具有较高的石墨化程度.C/C复合材料中的炭纤维被环状的热解炭所包围.沉积过程中前驱体较短的对流和扩散路径以及预制体中存在的上下热梯度和相应的双沉积面是材料快速制备的主要因素.     

Kinetics of chemical vapor infiltration of carbon nanofiber-reinforced carbon/carbon composites

Preforms containing 0, 5, 10, 15 and 20 wt.% carbon nanofibers (CNFs) were fabricated by spreading layers of carbon cloth, and infiltrated by using the technique of isothermal chemical vapor infiltration (ICVI) at the temperature of 1100 °C under the total pressure of 1 kPa and with the flow of the mixture of propane/nitrogen in a ratio of 13:1. The infiltration rates increased with the rising of CNF content, and after 580 h of infiltration, the achievable degree of pore filling was the highest when the CNF content was 5 wt.%, but the composite could not be densified efficiently as the CNF content ranged from 10 to 20 wt.%. An analysis of the results, based on the effective diffusion coefficient and on the in-pore deposition rates, shows that the CNFs, due to their higher aspect ratio, accelerate overgrowth at pore entrances and thus lead to incomplete pore filling.     

碳源对CVI炭/炭复合材料致密和结构的影响

采用自行设计的化学气相渗(CVI)炉以炭毡作为纤维增强体,在坯体内部设计特殊的导电发热层,使坯体内部的温度场、气体反应的中间产物浓度场、电磁场等多元物理场实现耦合,进而达到坯体的快速增密。研究了沉积温度为800℃～1000℃,系统压力0.1kPa～15.0kPa条件下,分别使用石油液化气和丙烯作碳源时对增密速度和沉积热解炭结构的影响;借助偏光显微镜考察了沉积炭的组织结构;用X射线衍射表征了C/C复合材料的石墨化度和微晶尺寸。研究表明:初始密度为0.2g/cm3,尺寸为260mm×60mm×20mm的炭毡坯体沉积20h,经过工艺优化,石油液化气可使坯体增密到1.7g/cm3以上,丙烯可使坯体增密到1.6g/cm3以上;两种碳源沉积所获材料的晶体有序度均随沉积温度的升高和系统压力的降低而升高,其中石油液化气在较高温度(990℃)、较低压力(0.1kPa)下能沉积出织构更高的结构一致的粗糙层结构热解炭;说明不同活化能的复合碳源气体可以发挥与其他物理场梯度的协同耦合作用,有利于提高沉积速度和热解炭的织构。     

微波辅助化学气相渗透法快速制备C／C复合材料

以炭毡为预制体,甲烷为炭源前驱体,沉积温度为1000℃～1150℃的工艺条件下,从温度梯度,密度梯度和沉积动力学方面,研究了制备炭/炭复合材料的微波热解CVI工艺特点,分析了微波热解CVI工艺的沉积机理.结果表明:采用微波热解CVI工艺可制备出体积密度为1.84g·cm-3的炭/炭复合材料,平均致密化速率达0.063g·cm-3·h-1.温度梯度的存在,使预制体实现了从内至外逐步沉积;微波的引入,增加了纤维表面的有效活性点,提高了表面反应速率;微波对化学反应具有一定的催化作用.     

碳源组成对化学气相渗透C/C复合材料致密化及热解炭结构的影响

为分析碳源在化学气相渗透过程中的沉积机制,以碳纤维针刺整体毡为预制体,添加丙烯（C₃H₆）的天然气混合气体为碳源,研究了碳源组成对C/C复合材料致密化及热解炭结构的影响。结果表明:相比于以天然气为碳源,以添加了适当比例C₃H₆的天然气为碳源,可有效提高C/C复合材料的致密化速率及密度分布均匀性;同时,有利于生成高织构的热解炭。最优条件（9vol% C₃H₆）下沉积100 h后,C/C复合材料的密度和径向密度偏差分别为1.40 g/cm3和0.04 g/cm3,热解炭为均一的粗糙层结构,石墨化度高;而以天然气作碳源时,密度和径向密度偏差分别为1.17 g/cm3和0.07 g/cm3,热解炭为二元带状结构,石墨化度较低;当C₃H₆比例增加到17vol%时,其密度和径向密度偏差分别为1.28 g/cm3和0.10 g/cm3,密度及密度分布均匀性较最优条件下制备的复合材料明显降低。