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了解多種碳碳加工方法 2
1. 直熱式化學(xué)氣相滲透(HCVI)法
沈陽金屬所湯素芳等在FCVI的基礎(chǔ)上，通過 電磁交變電場增加反應(yīng)過程中氣體中間產(chǎn)物的活性與碰撞幾率，發(fā)明了HCVI方法，提升了反應(yīng)速率，使 小尺寸樣品僅需20h就可達(dá)到1.7g/cm3。
2. 液相浸漬法研究進展
液相前驅(qū)體(瀝青、樹脂等)中瀝青浸漬液的碳轉(zhuǎn)化率較高，制備的C/C復(fù)合材料易石墨化，抗燒蝕和熱震性能好。樹脂浸漬液制備的C/C復(fù)合材料雖然密 度較低，但強度高，耐酸堿性強。液相浸漬技術(shù)相比CVI技術(shù)優(yōu)點在于碳基體硬度高、耐腐蝕、成本低、周期短、適用于制備大型樣件，缺點在于設(shè)備強度要求高、工藝復(fù)雜，需要反復(fù)浸漬、體積收縮大。
液相浸漬工藝分為低壓浸漬碳化(PIC)法和高壓浸漬碳化(HPIC)法。研究表明，低壓時，瀝青碳轉(zhuǎn)化率僅為50%左右，但在100MPa 高壓浸漬下，碳轉(zhuǎn)化率可達(dá)90%。因此高壓浸漬碳化不僅可以提升原料 的利用率，還可以提升致密化效率。高壓浸漬制備周期短，但設(shè)備復(fù)雜，成本高。哈爾濱工業(yè)大學(xué)蔣文強 等采用液相浸漬與真空熱壓燒結(jié)相結(jié)合方法，解決了傳統(tǒng)液相浸漬法制備周期長、彎曲性能較低等問題，其研究了原料比例以及浸漬溫度對復(fù)合材料性能的影 響，最終獲得了密度達(dá)到1.75g/cm3，最大彎曲強度可達(dá)383MPa的C/C復(fù)合材料。
西北工業(yè)大學(xué)開發(fā)了超高壓成形工藝，該工藝?yán)闷胀▔毫C施壓，可大幅度提高浸漬效率，獲得與熱等靜壓相近的浸漬碳化效果。目前應(yīng)用最多的方法為真空壓力浸漬(VPI) 法，通過抽真空使浸漬液在負(fù)壓的作用下充分浸潤碳纖維預(yù)制體，之后施加高溫高壓使前驅(qū)體碳化生成碳基體。該方法浸漬效率高，十分有利于前驅(qū)體碳化與固化。
壓力浸漬法通常用于高密度耐燒蝕 C/C 復(fù)合材料，而對力學(xué)性能要求較高的C/C復(fù)合材料制備方法則首選CVI工藝。
3. CLVI 法
CLVI法是將預(yù)制體浸滲在液烴中，通過液烴在高溫下的蒸發(fā)降低預(yù)制體外側(cè)溫度，實現(xiàn)從內(nèi)而外的溫度差，使前驅(qū)體首先在內(nèi)測高溫區(qū)沉積然后逐漸向外側(cè)推移，完成致密化的過程。該方法與等溫CVI相比：預(yù)制體始終浸滲在前驅(qū)體中，內(nèi)側(cè)溫度高、氣體濃度高，縮短了浸滲與擴散的路徑；反應(yīng)中的溫度差、氣 體的循環(huán)對流減弱了擴散對反應(yīng)的限制，大幅提升了沉積效率。
張曉虎等通過該方法制備小尺寸C/C復(fù) 合材料，僅需3h材料密度可達(dá)1.7 g/cm3，沉積效率 相比等溫CVI提升了近百倍。2006年，西安交通大學(xué)王繼平等開發(fā)了CLVI雙熱源加熱法，該方法解決了CLVI方法預(yù)制體外側(cè)溫度較低、沉積延遲的問題，以煤油為前驅(qū)體，沉積3h后復(fù)合材料密度約為1.72 g/cm3。
4. CVI法研究進展
由于CVI法制備過程可精確控制，產(chǎn)品性能優(yōu)異，是當(dāng)前國內(nèi)實驗室及工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用最早和最廣的方法。但該方法制備效率低、周期長、成本高。因此在近二十年內(nèi)，國內(nèi)C/C復(fù)合材料研究者不斷改進并開發(fā)新的CVI技術(shù)，使其成本與周期大大降低，極大滿足了我國在軍工及民用領(lǐng)域的需求。21世紀(jì)后，經(jīng)過對傳統(tǒng)等溫CVI法、熱梯度CVI法以及壓差CVI法等工藝的改進、創(chuàng)新，我國開發(fā)了一系列新型CVI技術(shù)，主要有：
5. 限域變溫強制流動化學(xué)氣相滲透(LTCVI)法
在FCVI工藝基礎(chǔ)上，西北工業(yè)大學(xué)侯向輝等在此基礎(chǔ)上提出LTCVI 法，通過有限區(qū)域遞進控溫方式改進原始熱梯度加熱方法，實現(xiàn)前驅(qū)體的強制流動，達(dá)到材料密度均勻的目的，該方法能夠在80~100h內(nèi)使材料密度達(dá)到1.70g/cm3。陳強等在FCVI基礎(chǔ)上，通過增加脈沖電磁閥，周期性控制樣件背壓，使 FCVI 法中穩(wěn)定流動的氣流變?yōu)槊}沖流動，增加了前驅(qū) 體在預(yù)制體中的滲透性，解決了FCVI法中由于熱端 面優(yōu)先沉積產(chǎn)生的氣流阻塞現(xiàn)象，該方法可在100h內(nèi)使C/C復(fù)合材料密度達(dá)到1.70g/cm3。
中南大學(xué)張福勤等通過改良壓力梯度CVI的爐體，利用中心加熱源實現(xiàn)熱梯度與壓力梯度相結(jié)合，可快速沉積C/C復(fù)合材料盤狀部件，在60h內(nèi)可使密度達(dá)到1.52g/cm3，該方法沉積效率較高，適用于大批量盤狀構(gòu)件的沉積。更多碳碳復(fù)合材料信息可查看http://www.2333666.cn
