2008年第4期 CARBON TECHNIQUES 第27卷 Vol 27 综合述评 炭/炭复合材料CVI致密化技术的研究与发展 薛宁娟,苏君明,肖志超 (西安航天复合材料研究所超码科技有限公司,陕西西安71025) 摘要:详细介绍了CⅥ理论的建立和发展,并在此基础上,对化学气相渗透中的气相组成与显微结构变化的关系,即气相组 成变化对热解炭显微结构的影响进行了全面的分析。在介绍化学气相渗透技术发展的同时对化学气相渗透技术的最新进展 进行了综述,特别是详细介绍了强制流动CⅥI、限域变温强制流动CⅥI、等离子体增强等温(或热梯度)低压CⅥ、HCV技术、液 相气化CⅥ等CⅥ新技术近几年来的最新发展,并在文后对未来化学气相渗透技术的发展进行了展望 关键词:化学气相渗透(CⅥ);C/C复合材料;制备 中图分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:1001-3741(2008)044705 RESEARCH AND DEVELOPMENT OF CHEMICAL VAPOR INFILTRATION FOR C/C COMPOSITES XUE Ning-juan, SU Jun-ming, XIAO Zhi-chao (Xi'an Chaoma Techolonegy Co Ltd of Xi'an Aerospace Composites Research Institute, Xi'an, 710025, China) Abstract: Establishment and development of Chemical Vapor Infiltration(CVI)mechanism were the relation between deposit gases composition and microstructure of pyrolytic carbon was also analyzed, and the results were explained in detaiL ' The resent development of the CVI mechanism was also summarized in this paper, especially, the lastest advanced de- velopment for the forced flow thermal gradient CVL Limited thermal gradient CVL Plasma CVL chemical liquid-vaporized infiltration was introduced On the basis of the analysis, the future prospects and some opinions have been given Key words Chemical Vaporized Infiltration(CVI): C/C composite; preparation 炭/炭复合材料(C/C)是炭纤维增强炭基体复合气氛中,扩散渗透到多孔预制体内分解生成热解炭 材料,自从问世以来,因其具有许多其他材料无可比拟并沉积于预制体孔隙内的过程,但分解和沉积过程 的优异性能而越来越受到人们的重视。目前制备C/C在不同的气氛下机理不同。到目前为止,研究者根 复合材料最主要的方法是化学气相渗透法(Ⅵ),在这据他们的实验研究结果,提出了许多沉积理论,主 一过程中纤维增强骨架损伤小,并保持着良好的材料要有:固态粒子沉积机理、液滴沉积机理、粘滞液滴 结构完整性与界面相容性,使材料貝有高强度、高韧机理以及生长-成核机理等。 性、耐磨、抗热震等优点。但该工艺存在气体扩散传输 (1)固态粒子沉积机理山。Kae等人研究了 与预制体渗透性方面的限制,为保证制件的密度均匀1700℃下丙烯热解沉积炭后认为,即便在最低的 性,长期以来只能通过低温、低气体浓度来增进渗透作沉积温度条件下,热解炭仍然是由在气体中形成的 用,致使致密化周期很长(600~2000h),制件成本大固态粒子和各种分子簇团在基材表面上反应成核 幅度提高。为此,近年来各国学者开始致力于传统CⅥI两部分组成。他明确指出,气相中形成的粒子是固 工艺的改进及新的致密化工艺的研究,相继开发出多态,这两种成分的比例变化会导致沉积炭的结构变 种先进的CⅥ工艺。本文简要综述了CⅥ沉积机理及化,而碳氢气体浓度、温度等条件的变化也会对固 快速CⅥI工艺研究现状和发展趋势 体粒子和分子簇团的比例产生直接影响。 (2)液滴沉积机理2。 Bokros等人通过对表面沉 1CⅥ沉积机理 积炭结构和动力学研究得出,碳氢化合物受热后首 先在气相中进行预反应,均质成核,并在气相中逐 CⅥI工艺是将低分子碳氢化合物在高温非氧化步长大成为粒子,然后沉积到基材表面。并在进 作者简介:薛宁娟女1977年生,硕士,工程师,主要从事炭/炭复合材料的研究开发工作。 收稿日期2008 万方数据2008年第4期 第27卷 CARBON TECHNIQUES 炭素技术 2008№4 VoI．27 ·综合述评· 炭／炭复合材料CVI致密化技术的研究与发展 薛宁娟，苏君明，肖志超 (西安航天复合材料研究所超码科技有限公司。陕西 西安710025) 摘要：详细介绍了CVI理论的建立和发展，并在此基础上，对化学气相渗透中的气相组成与显微结构变化的关系，即气相组 成变化对热解炭显微结构的影响进行了全面的分析。在介绍化学气相渗透技术发展的同时对化学气相渗透技术的最新进展 进行了综述，特别是详细介绍了强制流动CVI、限域变温强制流动CVI、等离子体增强等温(或热梯度)低压CVI、HCVI技术、液 相气化CVI等CVI新技术近几年来的最新发展，并在文后对未来化学气相渗透技术的发展进行了展望。 关键词：化学气相渗透(CVI)；C／C复合材料；制备 ’ 中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1001．3741(2008)04-47—05 RESEARCH AND DEVELOPMENT OF CHEMICAL VAPOR INFILTRATION FOR C／C COMPoSITES XUE Ning-juan，SU Jun—ming,XIAO Zhi—chao (Xi’an Chaoma Techolonegy Co．Ltd of Xi’an Aerospace Composites Research Institute，Xi’an,7 1 0025，China) Abstract：Establishment and development of Chemical Vapor Infiltration(CVI)mechanism were introduced．Based on the mechanism, the relation between deposit gases composition and microstructure of pyrolytic carbon was also analyzed,and the results were explained in detaiL The resent development of the CVI mechanism was also summarized in this paper,especially．the lastest advanced de￾velopment for the forced flow thermal gradient CVL Limited thermal gradient CVI,Plasma cvi,chemical liquid—vaporized infiltration was introduced．On the basis of the analysis,the future prospects and some opinions have been given Key words： Chemical Vaporized Infihration(CVI)；C／C composite；preparation 炭／炭复合材料(C／C)是炭纤维增强炭基体复合 材料，自从问世以来，因其具有许多其他材料无可比拟 的优异性能而越来越受到人们的重视。目前，制备C／C 复合材料最主要的方法是化学气相渗透法(CVI)，在这 一过程中纤维增强骨架损伤小，并保持着良好的材料 结构完整f生与界面相容性，使材料具有高强度、高韧 性、耐磨、抗热震等优点。但该工艺存在气体扩散传输 与预制体渗透l生方面的限制，为保证制件的密度均匀 性，长期以来只能通过低温、低气体浓度来增进渗透作 用，致使致密化周期很长(600。2 000 h)，制件成本大 幅度提高。为此，近年来各国学者开始致力于传统CVI 工艺的改进及新的致密化工艺的研究，相继开发出多 种先进的CVI工艺。本文简要综述了CVI沉积机理及 快速CVI工艺研究现状和发展趋势。 1 CVI沉积机理 CVI工艺是将低分子碳氢化合物在高温非氧化 气氛中，扩散渗透到多孔预制体内分解生成热解炭 并沉积于预制体孔隙内的过程，但分解和沉积过程 在不同的气氛下机理不同。到目前为止，研究者根 据他们的实验研究结果，提出了许多沉积理论，主 要有：固态粒子沉积机理、液滴沉积机理、粘滞液滴 机理以及生长一成核机理等。 (1)固态粒子沉积机理¨】。Kaae等人研究了 1 700 oC下丙烯热解沉积炭后认为，即便在最低的 沉积温度条件下，热解炭仍然是由在气体中形成的 固态粒子和各种分子簇团在基材表面上反应成核 两部分组成。他明确指出，气相中形成的粒子是固 态，这两种成分的比例变化会导致沉积炭的结构变 化，而碳氢气体浓度、温度等条件的变化也会对固 体粒子和分子簇团的比例产生直接影响。 (2)液滴沉积机理砼】。Bokros等人通过对表面沉 积炭结构和动力学研究得出，碳氢化合物受热后首 先在气相中进行预反应，均质成核，并在气相中逐 步长大成为粒子，然后沉积到基材表面。并在进一 作者简介：薛宁娟女 1977年生，硕士，工程师，主要从事炭／炭复合材料的研究开发工作。 收稿日期：2008—02—23 万方数据