Kemisk ånginfiltration
Kemisk ånginfiltration ( CVI ) är en keramisk ingenjörsprocess där matrismaterial infiltreras i fibrösa förformer genom användning av reaktiva gaser vid förhöjd temperatur för att bilda fiberförstärkta kompositer . Den tidigaste användningen av CVI var infiltrationen av fibrös aluminiumoxid med kromkarbid . CVI kan användas för produktion av kol- kolkompositer och keramiska matriskompositer. En liknande teknik är kemisk ångavsättning (CVD), den största skillnaden är att avsättningen av CVD sker på heta bulkytor, medan CVI-avsättning sker på porösa substrat.
Bearbeta
Under kemisk ånginfiltration uppbärs den fibrösa förformen på en porös metallplatta genom vilken en blandning av bärargas tillsammans med matrismaterial leds vid en förhöjd temperatur. Förformarna kan tillverkas med användning av garn eller vävda tyger eller de kan vara filamentlindade eller flätade tredimensionella former. Infiltrationen sker i en reaktor som är ansluten till en avloppsreningsanläggning där gaserna och restmatrismaterialet behandlas kemiskt. Induktionsuppvärmning används i en konventionell isotermisk och isobarisk CVI.
En typisk demonstration av processen visas i figur 1. Här kommer gaserna och matrismaterialet in i reaktorn från matningssystemet i botten av reaktorn. Den fibrösa förformen genomgår en kemisk reaktion vid hög temperatur med matrismaterialet och sålunda infiltrerar det senare i fibern eller förformens sprickor.
CVI-tillväxtmekanismen visas i figur 2. Här, när reaktionen mellan fiberytan och matrismaterialet äger rum, bildas en beläggning av matris på fiberytan medan fiberdiametern minskar. De oreagerade reaktanterna tillsammans med gaser lämnar reaktorn via utloppssystemet och överförs till ett avloppsreningsverk.
Modifierad CVI
"Hot Wall"-tekniken – isotermisk och isobarisk CVI, används fortfarande i stor utsträckning. Bearbetningstiden är dock vanligtvis mycket lång och deponeringshastigheten är långsam, så nya vägar har uppfunnits för att utveckla snabbare infiltrationstekniker: Termisk gradient CVI med forcerat flöde – I denna process sker ett forcerat flöde av gaser och matrismaterial. används för att uppnå mindre poröst och mer likformigt tätt material. Här leds den gasformiga blandningen tillsammans med matrismaterialet i ett trycksatt flöde genom förformen eller fibermaterialet. Denna process utförs vid en temperaturgradient från 1050 °C vid vattenkyld zon till 1200 °C vid ugnszon uppnås. Figur 3 visar en schematisk representation av en typisk Forced-flow CVI (FCVI).
Typer av keramiska matriskompositer med processparametrar
Tabell 1: Exempel på olika processer för CMC.
| Fiber | Matris | Vanlig föregångare | Temperatur (℃) | Tryck (kpa) | Bearbeta |
|---|---|---|---|---|---|
| Kol | Kol | Fotogen, Metan | Cirka 1000 | 1 | Forcerad CVI |
| Kol | Kiselkarbid | CH3SiCl3 _ _ _ - H2 | Cirka 1000 | 1 | Forcerad CVI |
| Kiselkarbid | Kiselkarbid | CH3SiCl3 - H2 _ _ _ | 900-1100 | 10-100 | Isobarisk – Forcerad CVI |
| Aluminiumoxid | Aluminiumoxid | AICl3CO2 - H2 _ _ _ | 900-1100 | 2-3 | CVI |
Exempel
Några exempel där CVI-processen används i tillverkningen är:
Carbon / Carbon Composites (C/C) Baserat på tidigare studie väljs en PAN -baserad kolfilt som preform, medan fotogen väljs som prekursor. Infiltrationen av matris i förformen utförs vid 1050 ℃ under flera timmar vid atmosfärstryck av FCVI. Den inre delen av förformens övre yta bör hållas vid 1050 ℃, mitten vid 1080 ℃ och den yttre vid 1020 ℃. Kvävgas strömmar genom reaktorn för säkerhets skull.
Kiselkarbid / Kiselkarbid (SiC/SiC)
Matris: CH 3 SiCl 3 (g) → SiC(s) + 3 HCl(g)
Interfas: CH 4 (g) → C(s) + 2H 2 (g)
SiC-fibrerna fungerar som en förform som värms upp till cirka 1000 ℃ i vakuum och sedan införs CH4- gas i förformen som mellanskiktet mellan fiber och matris. Denna process varar i 70 minuter under tryck. Därefter metyltriklorsilanen med väte in i kammaren. Förformen är i SiC-matris i timmar vid 1000 ℃ under tryck.
Fördelar med CVI
Kvarvarande spänningar är lägre på grund av lägre infiltrationstemperatur. Stora komplexa former kan produceras. Kompositen som framställs med denna metod har förbättrade mekaniska egenskaper, korrosionsbeständighet och termisk chockbeständighet. Olika matriser och fiberkombinationer kan användas för att producera olika kompositegenskaper. (SiC, C, Si3N4 , BN, B4C , ZrC, etc. ) . Det är mycket liten skada på fibrer och på förformens geometri på grund av låg infiltrationstemperatur och låga tryck. Denna process ger avsevärd flexibilitet vid val av fibrer och matriser. Mycket ren och enhetlig matris kan erhållas genom noggrann kontroll av gasernas renhet.
Nackdelar
Den kvarvarande porositeten är cirka 10 till 15 %, vilket är högt; produktionshastigheten är låg; kostnaderna för investeringar, produktion och bearbetning är höga.
Ansökningar
CVI används för att bygga en mängd högpresterande komponenter:
- Värmesköldsystem för rymdfarkoster.
- Högtemperatursystem som förbränningskammare, turbinblad, statorvingar och skivbromsar som utsätts för extrem termisk chock.
- När det gäller brännare, högtemperaturventiler och gaskanaler används oxider av CMC. Komponenter i glidlager för att ge korrosionsbeständighet och slitstyrka.