Chemická infiltrace par - Chemical vapor infiltration - Wikipedia

Chemická infiltrace par (CVI) je keramické inženýrství proces, při kterém je matricový materiál infiltrován do vláknitých předlisků za použití reaktivních plynů za zvýšené teploty vlákny vyztužené kompozity.[1] Prvním použitím CVI byla infiltrace vlákniny oxid hlinitý s karbid chrómu.[2] CVI lze použít na výrobu uhlík-uhlík kompozity a kompozity s keramickou matricí. Podobná technika je chemická depozice par (CVD), přičemž hlavní rozdíl spočívá v tom, že depozice CVD je na horkých sypkých površích, zatímco CVI depozice je na porézních substrátech.

Proces

Obrázek 1. Konvenční infiltrace chemických par.[3]
• Matricový materiál nesený plynem
↑ Nosný plyn
    Není nakresleno v měřítku
Růst CVI. Obrázek 2.[3]

Během chemické infiltrace par je vláknitý předlisek nesen na porézní kovové desce, kterou prochází směs nosného plynu spolu s matricovým materiálem při zvýšené teplotě. Předlisky mohou být vyrobeny z přízí nebo tkanin nebo mohou být navinuty vlákny nebo pleteny do trojrozměrných tvarů.[4] Infiltrace probíhá v reaktoru, který je připojen k čistírně odpadních vod, kde jsou chemicky upravovány plyny a zbytkový matricový materiál. Indukční ohřev se používá v konvenčním izotermický a isobarický CVI.

Typická demonstrace procesu je znázorněna na obrázku 1. Zde plyny a matricový materiál vstupují do reaktoru z plnicího systému ve spodní části reaktoru. Vláknitý předlisek prochází chemickou reakcí při vysoké teplotě s matricovým materiálem, a proto se infiltruje do štěrbin vláken nebo předlisku.

Mechanismus růstu CVI je znázorněn na obrázku 2. Zde, když probíhá reakce mezi povrchem vlákna a materiálem matrice, se na povrchu vlákna vytvoří povlak matrice, zatímco průměr vlákna se zmenšuje. Nezreagované reaktanty spolu s plyny opouštějí reaktor výstupním systémem a jsou přepravovány do čistírny odpadních vod.[5]

Upravené CVI

Obrázek 3. Modifikovaná infiltrace chemických par.[3]
• Matricový materiál nesený plynem
↑ Nosný plyn
    Není nakresleno v měřítku

Technika „hot wall“ - izotermická a izobarická CVI, je stále široce používána. Avšak doba zpracování je obvykle velmi dlouhá a rychlost depozice je pomalá, takže byly vyvinuty nové cesty pro vývoj rychlejších infiltračních technik: Tepelně-gradientní CVI s nuceným tokem - V tomto procesu je nucený tok plynů a matricového materiálu používá se k dosažení méně porézního a rovnoměrně hustého materiálu. Zde plynná směs spolu s matricovým materiálem prochází tlakovým proudem přes předlisek nebo vláknitý materiál. Tento proces se provádí při teplotním gradientu od 1050 ° C ve zóně chlazené vodou do 1200 ° C v zóně pece. Obrázek 3 ukazuje schematické znázornění typického CVI s nuceným tokem (FCVI).

Typy kompozitů s keramickou matricí s parametry procesu

Tabulka 1: Příklady různých procesů CMC.[6]

VláknoMaticeSpolečný předchůdceTeplota (℃)Tlak (kpa)Proces
UhlíkUhlíkPetrolej, metanPřibližně 10001CVI s nuceným tokem
UhlíkKarbid křemíkuCH3SiCl3 -H2Přibližně 10001CVI s nuceným tokem
Karbid křemíkuKarbid křemíkuCH3SiCl3-H2900-110010-100Isobaric - CVI s nuceným tokem
Oxid hlinitýOxid hlinitýAlCl3 CO2-H2900-11002-3CVI

Příklady

Některé příklady, kde se při výrobě používá proces CVI, jsou:

Uhlík / uhlíkové kompozity (C / C)Na základě předchozí studie, a PÁNEV jako předlisek je vybrána uhlíková plsť na bázi, zatímco předchůdce je vybrán petrolej. Infiltrace matrice v předlisku se provádí při 1050 ° C po dobu několika hodin za atmosférického tlaku pomocí FCVI. Vnitřek horního povrchu teploty předlisku by měl být udržován na 1050 °, střední na 1080 ° a vnější na 1020 °. Z důvodu bezpečnosti protéká reaktorem plynný dusík.[7]

Karbid křemíku / Karbid křemíku (SiC / SiC)

Matrix ： CH3SiCl3 (G) → SiC (s) + 3 HCl (g)

Mezifáze: CH4(G) → C (s) + 2H2(G)

Vlákna SiC slouží jako předlisek, který se zahřívá na asi 1 000 ° C ve vakuu a poté CH4 plyn se zavádí do předlisku jako mezivrstva mezi vláknem a matricí. Tento proces trvá 70 minut pod tlakem. Dále methyltrichlorsilan byl nesen vodíkem do komory. Předlisek je v matici SiC pod tlakem 1 000 ° C.[8]

Výhody CVI

Zbytková napětí jsou nižší kvůli nižší teplotě infiltrace. Lze vyrobit velké složité tvary. Kompozit připravený touto metodou má vylepšené mechanické vlastnosti, odolnost proti korozi a odolnost proti tepelným šokům. K výrobě různých kompozitních vlastností lze použít různé matice a kombinace vláken. (SiC, C, Si3N4, BN, B4C, ZrC atd.). Existuje velmi malé poškození vláken a geometrie předlisku v důsledku nízké infiltrační teploty a tlaků.[3] Tento proces poskytuje značnou flexibilitu při výběru vláken a matric. Velmi čistou a rovnoměrnou matici lze získat pečlivým řízením čistoty plynů.

Nevýhody

Zbytková pórovitost je asi 10 až 15%, což je vysoká; rychlost produkce je nízká; kapitálové investice, náklady na výrobu a zpracování jsou vysoké.[3]

Aplikace

CVI se používá k sestavení řady vysoce výkonných komponent:

  • Systémy tepelného štítu pro kosmická vozidla.[9]
  • Vysokoteplotní systémy, jako jsou spalovací komory, lopatky turbíny, lopatky statoru a kotoučové brzdy, které zažívají extrémní tepelný šok.[10]
  • V případě hořáků, vysokoteplotních ventilů a plynových potrubí se používají oxidy CMC. Součásti kluzných ložisek zajišťující odolnost proti korozi a odolnost proti opotřebení.[11]

Reference

  1. ^ Petrak, D.R. (2001). „Ceramic Matrices“, Composites, Vol 21, ASM Handbook. ASM International. 160–163.
  2. ^ Bang, Kyung-Hoon; Gui-Yung Chung; Hyung-Hoi Koo (2011). "Příprava C / C kompozitů chemickou infiltrací par (CVI) propan pyrolýzy". Korean Journal of Chemical Engineering. 28:1: 272–278. doi:10.1007 / s11814-010-0352-r. S2CID  55540743.
  3. ^ A b C d E Singh, Dr. Inderdeep. „Chemická infiltrace par Mod-06 Lec-04“. Kanál YouTube NPTEL. Národní program pro učení vylepšené technologií. Citováno 21. ledna 2014.
  4. ^ Balasubramanian, M. Kompozitní materiály a zpracování. 417–412.
  5. ^ Guan, Kang; Laifei Cheng; Qingfeng Zeng; Hui Li; Shanhua Liu; Jianping Li; Litong Zhang (2013). "Predikce propustnosti pro chemickou infiltraci par". Journal of the American Ceramic Society. 96 (8): 2445–2453. doi:10.1111 / jace.12456.
  6. ^ Naslain, R (19. října 1992). „Dvojrozměrné kompozity SiC / SiC zpracované podle izobaricko-izotermické chemické infiltrace par plynové fáze“. Journal of Alloys and Compounds. 188: 42–48. doi:10.1016 / 0925-8388 (92) 90641-l.
  7. ^ Wang, J. P .; Qian, J. M .; Qiao, G. J .; Jin, Z. H. (2006). „Vylepšení procesu infiltrace par chemickou parou pro výrobu velkoformátového C / C kompozitu“. Materiály Dopisy. 60:9 (9–10): 1269–1272. doi:10.1016 / j.matlet.2005.11.012.
  8. ^ Yang, W; Araki H; Kohyama A; Thaveethavorn S; Suzuki H; Noda T (2004). „Výroba in situ SiC nanodrátů / SiC matricový kompozit chemickou infiltrací par“. Materiály Dopisy. 58:25 (25): 3145–3148. doi:10.1016 / j.matlet.2004.05.059. Citováno 22. ledna 2014.
  9. ^ Pfeiffer, H .; Peetz, K. (říjen 2002). Celokeramická klapka karoserie kvalifikovaná pro kosmický let na X-38. 53. mezinárodní astronautický kongres Světový vesmírný kongres - 2002, Houston, TX. IAF-02-I.6.b.01. Bibcode:2002iaf..confE.485P.
  10. ^ Krenkel, W (2008). CMC pro třecí aplikace v kompozicích s keramickou matricí. Wiley-VCH. p. 396. ISBN  978-3-527-31361-7.
  11. ^ Pfeiffer, H (březen 2001). Klapka z keramického těla pro X-38 a CRV. 2. mezinárodní symposium o zpětných atmosférických vozidlech a systémech, Arcachon, Francie.

externí odkazy