碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究 A Study of the Ceram ic M atrix Com po sites
R einfo rced by Carbon F ibers
杨雪 戴永耀 赵广文 金东明 (北京航空材料研究院 Yang Xue D ai Yongyao Zhao Guangw J in Dongm ing (In stitu te of A eronau , B eijing
[摘要 ] 使用 CVD ,
全 渗入到基体里面。 这是由于“瓶颈” 效应所致 , , 进而封闭了通向大 气孔的入口。 为此 , ( 通过控制反应气体通道位置和 试样的加热位置 , , 使用 PCCVD 技术制造的 C Si C 复合材料 , 。
[]O ne of the p rob lem s w ith the u se of CVD techn iques to den sify the ceram ic m a 2 trix reinfo rced by fibers is the difficu lty in ach ieving com p lete infiltrati on 1T h is is due to “ bo ttle 2 neck ” effects in w h ich the CVD m atrix clo ses off s m all po res , w h ich in tu rn b lock s access to larg 2 er po res 1To th is end a new m ethod , po siti on con tro l CVD (PCCVD , to overcom e the difficu lty above m en ti oned is p resen ted 1B y m ean s of con tro lling the reach ing po siti on of react gases and the heating po siti on in m atrix , the clo se po res in the m atrix den sified by PCCVD techn ique have no t com e in to being from start to fin ish 1T here are on ly a few , if any , po res in m atrix and the den sity of C Si C com po sites m anufactu red by PCCVD techn ique can ach ieve 96%of theo retical den sity 1 Keywords carbon fibers reinfo rced ceram ic m atrix com po sites
1 引言
发展更高效率热机的关键在于提高工作温度 , 而提 高工作温度之关键又取决于更高工作温度材料的研制。 镍、钴基高温合金已发展到接近其使用温度的极限 , 因 此要进一步提高发动机的效率 , 就必须研制和发展陶瓷 基复合材料。 连续纤维增强陶瓷基复合材料 (CFCC 是 最有 希 望 满 足 发 动 机 高 温 部 件 要 求 的
材 料 , 而 制 造 CFCC 的工艺则是其中最关键的问题。 传统的热压烧结 工艺会大大损伤纤维 , 并使纤维和基体发生严重的化学 反 应 [1~3]。溶 胶 2凝 胶 法 (so l 2gel 和 化 学 气 相 沉 积 (CVD 或渗透 (CV I 则是制造 CFCC 的较好方法 , 但 使用溶胶 2凝胶法生产出的复合材料密度较低 , 制造温 度仍较高 (约 1300~1400℃ , 而且还需加压 , 不够理 想。 而 CVD (CV I 只能沉积简单的薄壁件 , 如单层纤维 薄片或薄壳型材料。 对于粗厚型件 内 部 往 往 出 现 孔 洞 , 存 在 着 致 密 性 差 (一 般 只 能 达 到 理 想 密 度 的 70%~ 80% [4]、 不易成型且沉积时间过长等问题。 为了解决上 述问题我们提出了一种新工艺新方法 PCCVD 即位控化 学气相沉积法 , 并进行了初步试验。
2 实验方法 211 实验材料
通过 PCCVD 来制造碳纤维增强碳化 硅 复 合 材 料。 本工艺选用高模量碳纤维 (抗张强度为 212GPa , 抗张模 量 为 360GPa , 密 度 为 118g c m 3 和 甲 基 三 氯 硅 烷 (M T S 。 M T S 的纯度约为 94%。 使碳化硅基体沉积在碳 纤维预制件上。
212PCCVD 的原理
在传统的 CVD 工艺中 , 反应气体是通过载气 (或许 参加也可能不参加反应 携带到加热的预制件上 , 在预 制件的表面 , 气体反应形成固体沉积物 , 而反应生成的 ? 9 1?
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究
气体由载气带出沉积系统。 在沉积过程中 , 整个预制件 里外同时沉积 , 由于预制件的外部比内部有更多的机会 接触反应气体 , 而迅速达到完全沉积。 结果 , 通向预制 件内部的入口被封闭 [5], 使得反应物从反应气体到预制 件内部纤维表面的物质 交 换 和 生 成 物 从 纤 维 表 面 到 主 气流的物质交换变得非常困难。 最后 , 从复合材料的表 面上看 , 得到 了 完 全 的 沉 积 , 但 其 内 部 存 有 较 多 的 气 孔。 另 一 方 面 , 由 于 复 合 材 料 的 表 面 是 不 受 限 制 的 沉 积 , 所以复合材料的外形达不到所规定的尺寸要求。
PCCVD 通过控制试样的加热位置 , 控制反应 气 体
通 道 位 置 , 从 而 达 到 控 制 沉 积 位 置 的 三 位 控 沉 积 法。 PCCVD 不是在整个试样上同时沉积 , 而是在一个不断
移动的截面上沉积 , 沉积部分的交界面 , 称为沉积界面。 的一端移到另一端时 , 程中 , 的 , , 全部是 开口沉积。 , 试验中最 高可达其理论密度的 96%。 图 1为 PCCVD
的工艺简图。
图 1 PCCVD 的工艺简图
F ig 11 T he schem atic of PCCVD technique 1模子中的温度分布 ; 2温度分布 ; 3温度峰 ; 4完全沉
积部分 ; 5未沉积部分 ; 6模子和预制件 ; 7沉积界面的移动方向 ; 8气体试剂的流动方向 ; 9模子的移动方向 ; 10沉积界面上主气 流的流动方向 ; 11沉积界面
PCCVD 技术很复杂 , 由于整个过程中发生着物理 和化学变化及相互作用 , 使用 PCCVD 制造的复合材料 其性能受很多因素的影响 , 如 :碳纤维的类型、模子和 预制件的设计及 M T S 的纯度等 , 但最重要的先决条件 包括 :
(1 靠近 沉 积 界 面 有 一 陡 的 温 度 梯 度 并 且 该 温 度 峰值等于沉积温度 ;
(2 沉积 界 面 上 温 度 梯 度 的 方 向 基 本 与 主 气 流 的
流动方向垂直。 在放试样的模具内部与外部应产生一定 的压力差 , 迫使反应气流经沉积界面后流出 ;
(3 沉积 界 面 以 一 定 的 速 度 在 沿 温 度 梯 度 方 向 移
动并且移动速度必须与 预 制 件 中 碳 化 硅 的 沉 积 速 度 相 匹配 ; (4 将反应气体引入模子通过沉积界面 , 迫使其在
沉积界面上进行反应 , 然后由泵将反应后的气体从模子 中抽出。 213 模具
模 具 的 设 计 是 PCCVD 中 重 的 一 环。 本 实 验 采 用 石墨模具。 气 体 全 部 流 经 试 样 , 2的反应室示于图 2。
反应室由石英制成 , 其 中部有一个具有特定几 何 形 状 并 能 在 长 度 方 向 产 生 温 度梯度 (参见图 1 的石墨感应发热体。 最初将装有碳纤 维的模子置于石墨感应发热体的下端 , 当将模子以适当 的速度移进感应发热体里时 , 其移进石墨感应体里的部 分 通 过 辐 射 加 热 形 成 一 个 达 到 沉 积 温 度 的 热 区。 M T S 和载气通过一根管子被直接插进模子内部。 反应室里为 负压。 由于模子与管子间的密封 , 把气体送入相对于反 应室为正压的预制件内部 , 这样模子内部与外部间会产 生一个压力差 , 迫使气体流过碳纤维预制件。 移进沉积 温度区的碳纤维预制件部分开始沉积 , 而未移进该区的 部分仍有气体流过 , 沉积界面上的沉积随模子逐渐移进 感应发热体逐步地进行 , 一旦基体达到完全沉积时流过
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究(精)
