Infiltration chemischer Dämpfe - Chemical vapor infiltration
Die chemische Dampfinfiltration ( CVI ) ist ein keramischer Konstruktionsprozess , bei dem Matrixmaterial unter Verwendung reaktiver Gase bei erhöhter Temperatur in faserige Vorformlinge infiltriert wird, um faserverstärkte Verbundstoffe zu bilden . Die früheste Verwendung von CVI war die Infiltration von faserigem Aluminiumoxid mit Chromcarbid . CVI kann zur Herstellung von Kohlenstoff-Kohlenstoff- Verbundwerkstoffen und Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen angewendet werden . Eine ähnliche Technik ist die chemische Gasphasenabscheidung (CVD), wobei der Hauptunterschied darin besteht, dass die Abscheidung von CVD auf heißen Massenoberflächen erfolgt, während die CVI-Abscheidung auf porösen Substraten erfolgt.
Prozess
Während der Infiltration mit chemischem Dampf wird der faserige Vorformling auf einer porösen Metallplatte getragen, durch die ein Gemisch aus Trägergas zusammen mit Matrixmaterial bei erhöhter Temperatur geleitet wird. Die Vorformlinge können unter Verwendung von Garnen oder Geweben hergestellt werden oder sie können filamentgewickelte oder geflochtene dreidimensionale Formen sein. Die Infiltration erfolgt in einem Reaktor, der an eine Abwasserbehandlungsanlage angeschlossen ist, in der die Gase und das restliche Matrixmaterial chemisch behandelt werden. Induktionserwärmung wird in einem herkömmlichen isothermen und isobaren CVI verwendet.
Eine typische Demonstration des Prozesses ist in Abbildung 1 dargestellt. Hier gelangen die Gase und das Matrixmaterial aus dem Beschickungssystem am Boden des Reaktors in den Reaktor. Der faserige Vorformling unterliegt bei hoher Temperatur einer chemischen Reaktion mit dem Matrixmaterial und somit infiltriert dieses in die Faser- oder Vorformlingsspalten.
Der CVI-Wachstumsmechanismus ist in 2 gezeigt. Hier wird, während die Reaktion zwischen der Faseroberfläche und dem Matrixmaterial stattfindet, eine Matrixbeschichtung auf der Faseroberfläche gebildet, während der Faserdurchmesser abnimmt. Die nicht umgesetzten Reaktanten treten zusammen mit den Gasen über das Auslasssystem aus dem Reaktor aus und werden in eine Abwasserbehandlungsanlage überführt.
Modifizierter CVI
Die "Hot Wall" -Technik - isotherme und isobare CVI - ist immer noch weit verbreitet. Die Verarbeitungszeit ist jedoch typischerweise sehr lang und die Abscheidungsrate ist langsam. Daher wurden neue Wege erfunden, um schnellere Infiltrationstechniken zu entwickeln: Wärmegradienten-CVI mit erzwungenem Fluss - Bei diesem Verfahren wird ein erzwungener Fluss von Gasen und Matrixmaterial durchgeführt verwendet, um weniger poröses und gleichmäßiger dichtes Material zu erzielen. Hier wird das Gasgemisch zusammen mit dem Matrixmaterial unter Druck durch den Vorformling oder das Fasermaterial geleitet. Dieser Prozess wird bei einem Temperaturgradienten von 1050 ° C in der wassergekühlten Zone bis 1200 ° C in der Ofenzone durchgeführt. Die Abbildung 3 zeigt die schematische Darstellung eines typischen Forced-Flow-CVI (FCVI).
Arten von Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen mit Prozessparametern
Tabelle 1: Beispiele für verschiedene Prozesse von CMCs.
| Ballaststoff | Matrix | Gemeinsamer Vorläufer | Temperatur (℃) | Druck (kpa) | Prozess |
|---|---|---|---|---|---|
| Kohlenstoff | Kohlenstoff | Kerosin, Methan | Ungefähr 1000 | 1 | CVI mit erzwungenem Durchfluss |
| Kohlenstoff | Siliziumkarbid | CH 3 SiCl 3 -H 2 | Ungefähr 1000 | 1 | CVI mit erzwungenem Durchfluss |
| Siliziumkarbid | Siliziumkarbid | CH 3 SiCl 3 -H 2 | 900-1100 | 10-100 | Isobar - CVI mit erzwungenem Durchfluss |
| Aluminiumoxid | Aluminiumoxid | AlCl 3 CO 2 -H 2 | 900-1100 | 2-3 | CVI |
Beispiele
Einige Beispiele, bei denen das CVI-Verfahren bei der Herstellung verwendet wird, sind:
Kohlenstoff / Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe (C / C) Basierend auf früheren Studien wird ein PAN- basierter Kohlenstoffilz als Vorformling ausgewählt, während Kerosin als Vorstufe ausgewählt wird. Die Infiltration der Matrix in den Vorformling wird vom FCVI mehrere Stunden lang bei 1050 ° C bei atmosphärischem Druck durchgeführt. Die Innenseite der Oberseite der Vorformlingstemperatur sollte bei 1050 ° C, die Mitte bei 1080 ° C und die Außenseite bei 1020 ° C gehalten werden. Aus Sicherheitsgründen strömt Stickstoffgas durch den Reaktor.
Siliziumkarbid / Siliziumkarbid (SiC / SiC)
Matrix: CH 3 SiCl 3 (g) → SiC (s) + 3 HCl (g)
Zwischenphase: CH 4 (g) → C (s) + 2H 2 (g)
Die SiC-Fasern dienen als Vorformling, der im Vakuum auf etwa 1000 l erhitzt wird, und dann wird CH 4 -Gas als Zwischenschicht zwischen Faser und Matrix in den Vorformling eingeführt. Dieser Vorgang dauert 70 Minuten unter Druck. Als nächstes wurde das Methyltrichlorsilan durch Wasserstoff in die Kammer befördert. Der Vorformling befindet sich stundenlang in einer SiC-Matrix bei 1000 ° C unter Druck.
Vorteile von CVI
Die Restspannungen sind aufgrund der niedrigeren Infiltrationstemperatur geringer. Es können große komplexe Formen erzeugt werden. Der nach diesem Verfahren hergestellte Verbundstoff weist verbesserte mechanische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Wärmeschockbeständigkeit auf. Verschiedene Matrizen und Faserkombinationen können verwendet werden, um unterschiedliche Verbundstoffeigenschaften zu erzeugen. (SiC, C, Si 3 N 4 , BN, B 4 C, ZrC, etc.). Die Fasern und die Geometrie des Vorformlings werden aufgrund niedriger Infiltrationstemperaturen und -drücke nur sehr wenig beschädigt. Dieses Verfahren bietet eine beträchtliche Flexibilität bei der Auswahl von Fasern und Matrizen. Eine sehr reine und gleichmäßige Matrix kann erhalten werden, indem die Reinheit der Gase sorgfältig kontrolliert wird.
Nachteile
Die Restporosität beträgt etwa 10 bis 15%, was hoch ist; die Produktionsrate ist niedrig; Die Investitions-, Produktions- und Verarbeitungskosten sind hoch.
Anwendungen
CVI wird verwendet, um eine Vielzahl von Hochleistungskomponenten zu erstellen:
- Hitzeschildsysteme für Raumfahrzeuge.
- Hochtemperatursysteme wie Brennräume, Turbinenschaufeln, Statorschaufeln und Scheibenbremsen, die einem extremen Thermoschock ausgesetzt sind.
- Bei Brennern, Hochtemperaturventilen und Gaskanälen werden CMC-Oxide verwendet. Komponenten von Gleitlagern zur Bereitstellung von Korrosions- und Verschleißfestigkeit.