關於(yu)碳碳復合(he)材料的(de)制備工藝流程(cheng)

制備碳 / 碳復合(he)材料的(de)主要步驟(zhou)為(wei) : 預制體成型 →致(zhi)密化(hua)處理 →最終高溫(wen)熱處理 .

 預制體成型
　　在進行(xing)預制體成型前 , 根(gen)據(ju)所(suo)設(she)計(ji)復(fu)合(he)材(cai)料的(de)應用(yong)和(he)工作(zuo)環(huan)境來(lai)選擇纖維種類(lei)和(he)編織(zhi)方(fang)式 . 例(li)如 ,
對重要的(de)結(jie)構(gou)選用(yong)高強(qiang)度(du)、高(gao)模(mo)量(liang)纖(xian)維 . 對要求(qiu)導(dao)熱系數(shu)低的(de)則選用(yong)低模(mo)量(liang)炭纖(xian)維(wei) , 如粘(zhan)膠基炭纖(xian)維(wei)  .
成(cheng)型方法(fa)為(wei)用短(duan)纖(xian)維增強(qiang): 

(1)壓(ya)濾(lv)法;

(2)噴塗法;

(3)熱壓(ya)法(fa);

 (4)澆註法  .

用(yong)連(lian)續長(chang)纖(xian)維增強(qiang):

 (1)預(yu)浸(jin)布層(ceng)壓(ya)、鋪(pu)壓(ya)、纏(chan)繞等(deng)做成層(ceng)壓(ya)板(ban)、回轉體和(he)異形(xing)薄壁(bi)結構(gou);

 (2)編織(zhi)技術(shu) .

 　致(zhi)密化(hua)處理
　　成型(xing)後的(de)預(yu)制體含有許多(duo)孔隙 , 密度(du)也低(di) , 不能(neng)直(zhi)接應用(yong) , 須(xu)將炭沈(chen)積於(yu)預制體 , 填(tian)滿其(qi)孔(kong)隙 , 才能(neng)
成(cheng)為真正的(de)結(jie)構(gou)致(zhi)密 、性(xing)能(neng)優(you)良的(de)碳 / 碳復合(he)材料 , 此即(ji)致(zhi)密化(hua)過(guo)程(cheng) . 傳(chuan)統的(de)致(zhi)密化(hua)工藝大(da)體分(fen)為液(ye)相(xiang)浸(jin)
漬和(he)化學(xue)氣相(xiang)沈(chen)積 (CVI) 兩種 .
 　液相(xiang)浸(jin)漬工(gong)藝 　　液(ye)相(xiang)浸(jin)漬工(gong)藝壹(yi)般(ban)在(zai)常壓(ya)或(huo)減壓(ya)下(xia)進行(xing) . 工藝過(guo)程(cheng)如圖 1 所(suo)示(shi) , 主要用(yong)多(duo)次(ci)
重復浸(jin)漬 ———炭化(hua) ———石(shi)墨化 , 達到(dao)致(zhi)密預(yu)制體 . 此工藝存在問題(ti)是: 

(1)工(gong)藝繁(fan)復、周(zhou)期長(chang)、效(xiao)率(lv)低 ;
(2) 液(ye)體難以浸(jin)漬到(dao)預(yu)制體微孔中(zhong);

 (3)有些浸(jin)漬液(ye)在常(chang)壓(ya)和(he)減壓(ya)下(xia)炭化(hua)收(shou)率(lv)低 , 必(bi)須(xu)加壓(ya) , 如煤瀝青(qing) ; 

(4)有些浸(jin)漬液(ye)炭化(hua)時(shi)粘(zhan)附性(xing)過(guo)好(hao) , 易(yi)於(yu)阻(zu)塞(sai)氣孔(kong)口(kou) , 難以達(da)到(dao)致(zhi)密要求(qiu) , 如樹脂(zhi)  .

　由(you)於(yu)上述原因(yin) , 後來(lai)發(fa)展(zhan)了(le)高(gao)壓(ya)浸(jin)漬炭化(hua)工(gong)藝 , 所(suo)使(shi)用的(de)壓(ya)力(li)皆超(chao)過(guo) 2 MPa  . 此工藝對設(she)備要求(qiu)高(gao) , 操作要求(qiu)嚴格 , 且導(dao)致(zhi)成(cheng)本上升 .

　化(hua)學(xue)氣相(xiang)沈(chen)積 (Chemical Vapor Infiltration , 簡稱(cheng)CVI)工藝 　　

     有的(de)文獻稱(cheng)化學(xue)氣相(xiang)沈(chen)積工藝是(shi)最早(zao)采用(yong)的(de)壹(yi)種致(zhi)密化(hua)方法(fa) , 其工(gong)藝過(guo)程(cheng)如圖 2 所(suo)示(shi) . 主要原理是利(li)用碳氫化(hua)合物氣體在高溫(wen)下(xia)分(fen)解並沈(chen)積炭於(yu)預制體 . 與液相(xiang)浸(jin)漬工(gong)藝相(xiang)比 , 化學(xue)氣相(xiang)沈(chen)積工藝不僅(jin)過(guo)程(cheng)便(bian)於(yu)精確控制 , 而(er)且(qie)所制備的(de)材(cai)料還(hai)具(ju)有結構(gou)均勻 、完(wan)整、致(zhi)密性(xing)好(hao)、石(shi)墨化程(cheng)度(du)高等(deng)優(you)點(dian) . 目 前國外主要用(yong)等(deng)溫(wen) CVI 法生產(chan)碳 / 碳復合(he)材料剎(sha)車(che)盤 . 常規(gui)化(hua)學(xue)氣相(xiang)沈(chen)積方工(gong)藝 ( 等(deng)溫(wen)法 ) 仍有許多(duo)不足 : 由(you)於(yu)受到(dao)氣相(xiang)擴散(san)速(su)率(lv)和(he)表面反(fan)應速(su)率(lv)的(de)制約(yue) , 在(zai)壹(yi)個(ge)較窄的(de)工(gong)藝條(tiao)件(jian)下(xia)進行(xing) . 因(yin)此 , 對沈(chen)積炭顯(xian)微組織(zhi)的(de)選擇余(yu)地有限 , 得到(dao)的(de)通(tong)常(chang)為光滑層(ceng) (SL)組織(zhi) , 要想提(ti)高沈(chen)積炭溫(wen)度 , 以得到(dao)粗糙層(ceng) (RL) 炭 , 則又(you)易(yi)形(xing)成表(biao)面的(de)氣孔(kong)堵死(si) , 以及表層(ceng)和(he)裏層(ceng)的(de)密度(du)差提高(gao) [6] . 同時 , 等(deng)溫(wen) CVI 制備碳 / 碳復合(he)材料周(zhou)期長(chang) ( 約(yue) 1 000 - 1 500 h) 、原料氣利(li)用(yong)率(lv)低 ( < 5 %) ,需(xu)要數(shu)次(ci)石墨化和(he)機加工 , 需(xu)用(yong)大(da)量高(gao)能(neng)耗(hao)的(de)貴(gui)重設(she)備 , 成本很高(gao) .

　　後來(lai)又(you)研究開發了(le)改(gai)進的(de) CVI 工(gong)藝 , 如熱梯度法、壓(ya)差法、脈(mai)沖(chong)法(fa)等(deng) . 其中熱梯度法 CVI [6] 比(bi)等(deng)溫(wen)法CVI 的(de)沈(chen)炭速(su)率(lv)高壹(yi)個(ge)數(shu)量級 , 可(ke)以在(zai)常壓(ya)下(xia)進行(xing) , 且不易(yi)在工(gong)件表面結皮 . 其缺點(dian)是只(zhi)適(shi)宜單(dan)件生產(chan) ,並難以按(an)比(bi)例(li)放(fang)大(da)工藝 . 壓(ya)差法也(ye)是僅(jin)適(shi)用於(yu)單件生產(chan) , 且需(xu)良好(hao)的(de)高(gao)溫(wen)密封(feng)措施(shi) , 同樣也難以在(zai)工業應用(yong)上(shang)推(tui)廣 . 總之 , 這(zhe)些方法雖在(zai)壹(yi)定(ding)程(cheng)度(du)上能(neng)加快致(zhi)密速(su)度 , 但(dan)於(yu)生產(chan)實際要求(qiu)還(hai)相(xiang)差甚(shen)遠(yuan) .
　　除上(shang)述方(fang)法外(wai) , 值得壹(yi)提(ti)的(de)還(hai)有快速(su)定(ding)向擴散(san)法(fa) [7 ,8] 和(he)化學(xue)液氣相(xiang)沈(chen)積法 (Chemical Liquil Vapor De 2position , 簡稱(cheng) CLVD), 其中快速(su)定(ding)向擴散(san)法(fa)是對化學(xue)氣相(xiang)沈(chen)積設(she)備作了(le) 改(gai)進 ; 在(zai)爐內增設(she)了(le) 沈(chen)積室和(he)氣體定向擴散(san)裝(zhuang)置(zhi) , 配(pei)合工藝參(can)數(shu)的(de)調整 , 使(shi)處於(yu)低溫(wen)的(de)氣體快速(su)擴散(san)到(dao)試(shi)樣內部 , 並借助溫(wen)度梯(ti)度(du)使(shi)沈(chen)積過(guo)程(cheng)從試樣內部到(dao)表(biao)面順序(xu)進行(xing) [8] . 椐報道(dao) , 在沈(chen)積溫(wen)度 950 ℃ , 爐(lu)壓(ya) 6 1 6 MPa 時(shi) , 碳沈(chen)積 300 h. 較大(da)尺寸(cun)的(de)碳 / 碳復合(he)材料制品(pin)密度(du)可(ke)達 1 1 75 g/ cm 3 , 比(bi)國內目前研制的(de)工(gong)藝沈(chen)積時間縮短了(le) 3 - 5 倍(bei) , 且(qie)試(shi)樣表面無(wu)塗層(ceng)和(he)炭黑(hei)形(xing)成 , 可(ke)省(sheng)去(qu)中間高溫(wen)熱處理和(he)機械(xie)加工工(gong)序(xu) , 且(qie)節(jie)約(yue)了(le) 試(shi)樣材料 , 對 CVI 法而言確是明顯(xian)的(de)提(ti)高(gao) . 化(hua)學(xue)液氣相(xiang)沈(chen)積法 (CLVD) 是(shi)將預制在(zai)整個(ge)沈(chen)積周期內始終完(wan)全浸(jin)泡在液體先驅
體 ( 煤油 ) 裏 , 預(yu)制體圍繞在(zai)發(fa)熱體上 , 加熱時由(you)內向外(wai)產(chan)生溫(wen)度梯(ti)度(du) , 溫(wen)度高(gao)處的(de)煤油先氣化(hua) , 沈(chen)炭 , 逐(zhu)漸向(xiang)外(wai)推(tui)移 . 據(ju)報道(dao) ,2 1 5 h 內 ,3 1 8 mm 厚制件(jian)可(ke)致(zhi)密達(da) 1 1 76 g/ cm3, 耗煤油 15 kg. 又(you)  據(ju)文獻報道(dao) ,1 200℃的(de)致(zhi)密速(su)度是(shi) 950 ℃的(de) 25 倍(bei) , 法(fa)國 、美(mei)國已(yi)用 CLVD 法成功制備了(le) 碳 / 碳復合(he)材料飛機剎車(che)盤 [10 ,11 ] ,取(qu)得了(le)可(ke)觀的(de)經(jing)濟(ji)效(xiao)益(yi) . 該方法也存在不少(shao)問題(ti) , 如不能(neng)持續供(gong)料 , 中(zhong)間需待(dai)爐體冷(leng)卻才(cai)可(ke)加料 , 且(qie)需(xu)反(fan)復(fu)多(duo)次(ci) , 故時間長 , 效(xiao)率(lv)低 . 另(ling)外(wai) , 先驅(qu)體不能(neng)完(wan)全在(zai)爐內冷(leng)卻 , 而(er)且這(zhe)種方法距實(shi)際生產(chan)要求(qiu)還(hai)相(xiang)差甚(shen)遠(yuan) , 有待(dai)於(yu)進壹(yi)步發(fa)展(zhan) .
　　綜(zong)上各種方法比較 , 化(hua)學(xue)氣相(xiang)沈(chen)積 (CVI) 法是(shi)制備高性(xing)能(neng)碳 / 碳復合(he)材料的(de)壹(yi)種很有前途的(de)方(fang)法(fa) , 但(dan)是 , 制備周期長(chang) , 成(cheng)本高(gao) , 工序(xu)復(fu)雜是其不足之處 。更(geng)多(duo)碳碳復合(he)材料信(xin)息(xi)可(ke)查看http://youtv.com.cn/