專利名稱：限域變溫壓差化學(xué)氣相滲透工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫結(jié)構(gòu)材料的制備工藝，限域變溫壓差化學(xué)氣相滲透工藝，主要用于碳/碳復(fù)合材料和陶瓷復(fù)合材料的制備。本發(fā)明以致密化過程中預(yù)制體沉積進(jìn)程的特點(diǎn)為依據(jù)，通過特定的措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)沉積區(qū)域的溫度控制，從而可很好地控制致密化過程碳基與陶瓷基復(fù)合材料是一類新型的高性能復(fù)合材料，具有熱強(qiáng)高、耐高溫、抗熱震、耐磨損等一系列優(yōu)異性能，是重要的高溫結(jié)構(gòu)材料。但由于碳基與陶瓷基復(fù)合材料的成本一直居高不下，限制了它的應(yīng)用范圍，目前主要集中于航空、航天等高技術(shù)領(lǐng)域。使碳基與陶瓷基復(fù)合材料的成本居高不下的主要原因之一是整個(gè)復(fù)合材料的致密化周期很長，一般需要一個(gè)月到幾個(gè)月。目前，高性能碳基與陶瓷基復(fù)合材料的制備多采用等溫化學(xué)氣相滲透CVI技術(shù)，而在等溫CVI中，氣態(tài)前驅(qū)體進(jìn)入預(yù)制體和廢氣的排除受氣體擴(kuò)散和預(yù)制體滲透性限制，會(huì)在預(yù)制體內(nèi)產(chǎn)生較大的氣體濃度梯度，使固體的沉積優(yōu)先發(fā)生在預(yù)制體表面，使預(yù)制體表面的孔隙過早地封閉，影響其內(nèi)部進(jìn)一步的致密化。為減緩這種現(xiàn)象，常用的解決措施是采用低溫、低氣體濃度，但這又導(dǎo)致沉積速率極為緩慢；另外還要多次中斷沉積工序，通過機(jī)械加工除去表面結(jié)皮，打開封閉孔隙，繼續(xù)沉積，由于沉積的時(shí)間過長，因此整個(gè)復(fù)合材料的致密化周期很長，一般需要一個(gè)月到幾個(gè)月，致使制件成本很高，影響了碳基與陶瓷基復(fù)合材料的進(jìn)一步應(yīng)用。為縮短碳基與陶瓷基復(fù)合材料的致密化時(shí)間，提高制品性能及密度均勻性，三十多年來，各國先后對(duì)等溫CVI工藝進(jìn)行了多方面改進(jìn)。較為常見的有1．熱梯度CVI可有效地改善致密化的均勻性，但由于烷烴氣體進(jìn)入預(yù)制體仍主要依賴擴(kuò)散作用，氣體傳輸緩慢，材料致密化速率提高有限；2．等溫CVI工藝致密化周期很長，制件內(nèi)存在明顯的密度梯度，材料成本高；3．等溫壓力梯度CVI工藝由于氣體的傳質(zhì)方式改為流動(dòng)傳質(zhì)，改善了氣體的傳輸能力，沉積速率大大提高，可在一定程度上縮短致密化時(shí)間，但仍存在致密化的不均勻問題；4．脈沖CVI工藝沉積在烷烴氣體壓力和真空之間循環(huán)工作，可顯著提高致密化的均勻性，但對(duì)設(shè)備要求很高，應(yīng)用很少。
1984年美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室提出了強(qiáng)制流動(dòng)熱梯度化學(xué)氣相滲透法FCVI，首先用以制備陶瓷基復(fù)合材料，F(xiàn)CVI技術(shù)綜合了熱梯度CVI和等溫壓力梯度CVI的優(yōu)點(diǎn)，可在較短時(shí)間內(nèi)完成材料的致密化過程，且制件密度均勻性較佳，特別適用于較厚制件的成型。但由于在FCVI工藝中，預(yù)制件內(nèi)各區(qū)域的加熱主要依賴于熱傳導(dǎo)作用，影響因素很多，如預(yù)制體熱面溫度、冷面溫度、保持器導(dǎo)熱率、預(yù)制體密度、纖維取向、孔隙尺寸及結(jié)構(gòu)等，另外氣體濃度、流速也有一定的影響。因此使預(yù)制體內(nèi)沉積區(qū)域的溫度控制較為困難，可能出現(xiàn)預(yù)制體冷面致密化不足等不利現(xiàn)象。
為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出了一種限域變溫壓差化學(xué)氣相滲透工藝，是在FCVI的基礎(chǔ)上，進(jìn)行重大改進(jìn)。以致密化過程中預(yù)制體沉積進(jìn)程的特點(diǎn)為依據(jù)，通過調(diào)整試樣在低溫冷卻面與高溫加熱面之間的相對(duì)位置來實(shí)現(xiàn)纖維預(yù)制體致密化過程中的溫度控制，提高材料致密化效率和致密化的均勻性，快速制備出高性能的碳基與陶瓷基復(fù)合材料制品?？纱蟠罂s短材料的制備周期，從而降低材料的成本，以利于拓寬碳基及陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。
本發(fā)明的思想是控制致密過程中的溫度，溫度是碳基與陶瓷基復(fù)合材料CVI致密化過程中最為重要的工藝參數(shù)，對(duì)材料致密化的進(jìn)行和基體組織結(jié)構(gòu)的形成都有重要的影響作用，因此溫度控制是CVI致密化的關(guān)鍵因素。其特征在于在復(fù)合材料CVI致密化過程中，將預(yù)制體(2)置于一個(gè)溫度梯度場(chǎng)中，氣態(tài)前驅(qū)體沿流動(dòng)方向(4)由預(yù)制體低溫面下部流入，經(jīng)預(yù)制體內(nèi)部的孔隙逐漸向高溫面上部流動(dòng)，由于氣體在預(yù)制體孔隙中傳輸過程中受到阻力的作用，會(huì)在預(yù)制體上下兩側(cè)產(chǎn)生壓力梯度。氣體到達(dá)預(yù)制體的高溫區(qū)后，受溫度作用會(huì)發(fā)生熱解反應(yīng)，生成熱解碳沉積在預(yù)制體的孔隙中，而此時(shí)在預(yù)制體的低溫面附近，由于溫度較低，氣體基本上不發(fā)生熱解反應(yīng)，孔隙通道就不會(huì)被堵塞，使氣體能比較順利地進(jìn)入預(yù)制體內(nèi)部、上部。因此熱解碳的沉積從預(yù)制體高溫面開始并逐漸向低溫面推進(jìn)，最終完成整個(gè)預(yù)制體的致密化。
預(yù)制體(2)溫度梯度場(chǎng)的形成，通過在預(yù)制體(2)的上下兩側(cè)分別進(jìn)行加熱與水冷造成溫度梯度。預(yù)制體的高溫區(qū)采用加熱裝置(1)，低溫面采用水冷裝置(3)實(shí)現(xiàn)。低溫面的溫度范圍控制在600～900℃；高溫面的溫度范圍為900～1400℃。在致密化工藝進(jìn)行的過程中，隨高溫區(qū)域沉積的進(jìn)行，低溫區(qū)域邊會(huì)逐漸升高，預(yù)制體由水冷區(qū)域逐漸向高溫加熱區(qū)作相對(duì)移動(dòng)，逐漸減小兩者間的相對(duì)距離，使預(yù)制體不同位置的加熱和冷卻程度發(fā)生改變，以此來調(diào)整預(yù)制體內(nèi)的溫度和溫度分布，使預(yù)制體高溫面逐漸向下擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)預(yù)制體沉積區(qū)域的溫度控制，從而進(jìn)一步控制預(yù)制體的整個(gè)致密化過程。工藝的關(guān)鍵所在是可通過預(yù)制體與高溫加熱區(qū)域的相對(duì)移動(dòng)，控制區(qū)域的溫度，使其有利于致密化的進(jìn)行。
碳/碳復(fù)合材料的致密化過程中，氣態(tài)前驅(qū)體采用碳/氫化合物。
在陶瓷基復(fù)合材料CVI致密化過程中，沉積溫度的控制原理與碳/碳復(fù)合材料CVI過程類似。其中纖維預(yù)制體的高溫面溫度、低溫面溫度及預(yù)制體與高溫加熱區(qū)的移動(dòng)速率，依具體陶瓷基體前驅(qū)體的沉積特性而定。
預(yù)制體(2)的移動(dòng)通過在預(yù)制體下面安裝的移動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)，移動(dòng)裝置由支架(5)、電動(dòng)機(jī)(8)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(7)和軸(6)組成。支架(5)安裝在軸(6)的上端，軸(6)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(7)與電動(dòng)機(jī)(8)連接。電動(dòng)機(jī)(8)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(7)形成轉(zhuǎn)化為軸(6)的上下移動(dòng)，安裝在軸(6)上端的預(yù)制體支架(5)也同時(shí)進(jìn)行上下移動(dòng)，使得預(yù)制體(2)在溫度場(chǎng)內(nèi)做上下移動(dòng)，移動(dòng)速率約為0.1～0.5mm/hr。


圖1限域變溫壓差CVI工藝示意2預(yù)制體移動(dòng)裝置示意圖1-加熱裝置；2-纖維預(yù)制體；3-水冷裝置；4-氣態(tài)前趨體流動(dòng)方向；5-預(yù)制體支架；6-升降軸；7-移動(dòng)裝置；8-電動(dòng)機(jī)本發(fā)明將結(jié)合實(shí)施例(附圖)作進(jìn)一步描述1．碳/碳復(fù)合材料的制備在預(yù)制體的一側(cè)加熱，另一側(cè)通水冷卻；丙烯氣體作為熱解碳的氣態(tài)前驅(qū)體，以氮?dú)庾鳛檩d氣和稀釋劑。從預(yù)制體低溫面通入氣體，氣體自動(dòng)從預(yù)制體低溫面向高溫面流動(dòng)。預(yù)制體低溫面溫度控制在600～900℃；高溫面溫度控制在1300℃。在致密化進(jìn)行過程中，預(yù)制體以0.5mm/小時(shí)的速率向高溫加熱區(qū)移動(dòng)，經(jīng)幾小時(shí)到幾十小時(shí)的致密化，即可完成高性能碳/碳復(fù)合材料的快速制備。
2．陶瓷基復(fù)合材料的制備(以碳/SiC復(fù)合材料為例)加熱與冷卻方式類似于碳/碳復(fù)合材料的制備。以三氯甲基硅烷作為SiC基體的前驅(qū)體，以氫氣作為載氣。預(yù)制體高溫面溫度控制在1300℃，低溫面溫度控制在800～1000℃。在致密化進(jìn)行過程中，預(yù)制體以0.5mm/小時(shí)的速率向高溫面移動(dòng)，經(jīng)幾小時(shí)到幾十小時(shí)的致密化，即可完成高性能SiC基復(fù)合材料的快速制備。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)越性在于限域變溫壓差CVI工藝以強(qiáng)制流動(dòng)熱梯度CVI工藝為基礎(chǔ)，不僅結(jié)合了熱梯度CVI和等溫壓力梯度CVI的優(yōu)點(diǎn)，還引入了溫度控制手段，工藝過程中可對(duì)指定區(qū)域加熱，有效控制沉積區(qū)域的溫度，從而對(duì)致密化區(qū)域?qū)崿F(xiàn)控制進(jìn)而對(duì)整個(gè)工藝過程實(shí)現(xiàn)精確控制。降低了材料成本，縮短了材料的制備周期，可以實(shí)現(xiàn)碳基與陶瓷基復(fù)合材料的快速制備。
權(quán)利要求
1.一種限域變溫壓差化學(xué)氣相滲透工藝，其特征在于在復(fù)合材料CVI致密化過程中，將預(yù)制體(2)置于一個(gè)溫度梯度場(chǎng)中，氣體在預(yù)制體孔隙中傳輸過程中受到阻力使預(yù)制體上下兩側(cè)產(chǎn)生壓力梯度；氣態(tài)前驅(qū)體沿流動(dòng)方向(4)由預(yù)制體低溫面下部流入，經(jīng)預(yù)制體內(nèi)部的孔隙逐漸向高溫面上部流動(dòng)，熱解碳的沉積從預(yù)制體高溫面開始并逐漸向低溫面推進(jìn)，完成整個(gè)預(yù)制體的致密化。
2.如權(quán)利要求1所述的限域變溫壓差化學(xué)氣相滲透工藝，其特征在于預(yù)制體(2)溫度梯度場(chǎng)的形成，通過在預(yù)制體(2)的上下兩側(cè)分別進(jìn)行加熱與水冷造成溫度梯度，預(yù)制體的高溫區(qū)采用加熱裝置(1)，低溫面采用水冷裝置(3)實(shí)現(xiàn)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的限域變溫壓差化學(xué)氣相滲透工藝，其特征在于低溫面的溫度范圍可以控制在600～900℃；高溫面的溫度范圍可以為900～1400℃。
4.如權(quán)利要求1所述的限域變溫壓差化學(xué)氣相滲透工藝，其特征在于碳/碳復(fù)合材料的致密化過程中，氣態(tài)前驅(qū)體采用碳/氫化合物。
5.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1限域變溫壓差化學(xué)氣相滲透工藝的移動(dòng)裝置，其特征在于支架(5)安裝在軸(6)的上端，軸(6)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(7)與電動(dòng)機(jī)(8)連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高溫結(jié)構(gòu)材料的制備工藝,限域變溫壓差化學(xué)氣相滲透工藝,主要用于碳/碳復(fù)合材料和陶瓷復(fù)合材料的制備。以致密化過程中預(yù)制體沉積進(jìn)程的特點(diǎn)為依據(jù),通過調(diào)整試樣在低溫冷卻面與高溫加熱面之間的相對(duì)位置來實(shí)現(xiàn)纖維預(yù)制體致密化過程中的溫度控制,提高材料致密化效率和致密化的均勻性,快速制備出高性能的碳基與陶瓷基復(fù)合材料制品?？纱蟠罂s短材料的制備周期,從而降低材料的成本,以利于拓寬碳基及陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)C04B35/56GK1306951SQ00113718
公開日2001年8月8日 申請(qǐng)日期2000年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月25日
發(fā)明者李賀軍, 侯向輝, 張守?fù)P, 曾燮榕, 李克智, 劉應(yīng)樓 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)