Kimyasal buhar infiltrasyonu - Chemical vapor infiltration
Kimyasal buhar infiltrasyonu ( CVI ), fiber takviyeli kompozitler oluşturmak için yüksek sıcaklıkta reaktif gazların kullanılmasıyla matris malzemesinin lifli preformlara sızdığı bir seramik mühendisliği sürecidir . CVI'nın en erken kullanımı, lifli alüminanın krom karbür ile infiltrasyonuydu . CVI, karbon-karbon kompozitlerinin ve seramik-matris kompozitlerinin üretimine uygulanabilir . Benzer bir teknik kimyasal buhar biriktirmedir (CVD), temel fark, CVD birikiminin sıcak yığın yüzeyler üzerinde, CVI biriktirme ise gözenekli alt tabakalar üzerinde olmasıdır.
İşlem
Kimyasal buhar infiltrasyonu sırasında, lifli ön kalıp, içinden matris malzemesi ile birlikte bir taşıyıcı gaz karışımının yükseltilmiş bir sıcaklıkta geçirildiği gözenekli bir metal plaka üzerinde desteklenir. Ön biçimler, iplikler veya dokuma kumaşlar kullanılarak yapılabilir veya filaman sargılı veya örgülü üç boyutlu şekiller olabilir. Sızma, gazların ve artık matris materyalinin kimyasal olarak işlendiği bir atık su arıtma tesisine bağlı bir reaktörde gerçekleşir. İndüksiyonla ısıtma , geleneksel bir izotermal ve izobarik CVI'da kullanılır.
İşlemin tipik bir gösterimi Şekil 1'de gösterilmektedir. Burada, gazlar ve matris malzemesi reaktörün alt kısmındaki besleme sisteminden reaktöre girer. Elyaflı ön biçim, yüksek sıcaklıkta matris malzemesiyle kimyasal bir reaksiyona girer ve bu nedenle sonuncu, elyaf veya ön biçim çatlaklarına sızar.
CVI büyüme mekanizması Şekil 2'de gösterilmiştir. Burada fiber yüzeyi ile matris malzemesi arasındaki reaksiyon gerçekleşirken fiber çapı küçülürken fiber yüzeyinde bir matris kaplaması oluşur. Reaksiyona girmemiş reaktifler, gazlarla birlikte çıkış sistemi yoluyla reaktörden çıkar ve bir atık su arıtma tesisine aktarılır.
Değiştirilmiş CVI
'Sıcak duvar' tekniği - izotermal ve izobarik CVI, hala yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, işlem süresi tipik olarak çok uzundur ve biriktirme hızı yavaştır, bu nedenle daha hızlı sızma teknikleri geliştirmek için yeni yollar icat edilmiştir: Zorlamalı akışlı termal gradyan CVI - Bu süreçte, zorunlu gaz ve matris malzemesi akışı daha az gözenekli ve daha homojen yoğun malzeme elde etmek için kullanılır. Burada, matris malzemesi ile birlikte gazlı karışım, ön kalıp veya lifli malzeme boyunca basınçlı bir akışta geçirilir. Bu proses, suyla soğutulan bölgede 1050 ° C'den fırın bölgesinde 1200 ° C'ye kadar bir sıcaklık gradyanında gerçekleştirilir. Şekil 3, tipik bir Zorunlu akış CVI'nın (FCVI) şematik gösterimini gösterir.
Proses parametreleri ile seramik matris kompozit türleri
Tablo 1: Farklı CMC işlemlerinin örnekleri.
| Lif | Matris | Ortak Öncü | Sıcaklık (℃) | Basınç (kpa) | İşlem |
|---|---|---|---|---|---|
| Karbon | Karbon | Gazyağı, Metan | Yaklaşık 1000 | 1 | Zorunlu akış CVI |
| Karbon | Silisyum Karbür | CH 3 trietilamonyum 3 H 2 | Yaklaşık 1000 | 1 | Zorunlu akış CVI |
| Silisyum Karbür | Silisyum Karbür | CH 3 trietilamonyum 3 H 2 | 900-1100 | 10-100 | Isobaric - Zorunlu akış CVI |
| Alümina | Alümina | AlCl 3 CO 2- H 2 | 900-1100 | 2-3 | CVI |
Örnekler
İmalatta CVI işleminin kullanıldığı bazı örnekler şunlardır:
Karbon / Karbon Kompozitleri (C / C) Önceki çalışmaya dayanarak, ön kalıp olarak bir PAN bazlı karbon keçe seçilirken, öncü olarak kerosen seçilmiştir. Ön kalıbın içindeki matrisin sızması, FCVI tarafından atmosfer basıncında birkaç saat 1050 ° C'de gerçekleştirilir. Ön kalıp sıcaklığının üst yüzeyinin içi 1050 ℃, ortası 1080 ve dışı 1020 ℃ de tutulmalıdır. Güvenlik için reaktörden azot gazı akar.
Silisyum Karbür / Silisyum Karbür (SiC / SiC)
Matris ： CH 3 SiCl 3 (g) → SiC (k) + 3 HCl (g)
Fazlar arası: CH 4 (g) → C (k) + 2H 2 (g)
SiC-lifleri, vakumla ℃ yaklaşık 1000 ° C'ye ısıtılır ve daha sonra CH ön form olarak görev 4 gaz elyaf ile matris arasındaki ara katman olarak ön kalıbın içine sokulur. Bu işlem baskı altında 70 dakika sürer. Daha sonra, metiltriklorosilan , hidrojen tarafından hazneye taşındı. Preform, basınç altında 1000 ℃'de saatlerce SiC matrisindedir.
CVI'nın avantajları
Daha düşük sızma sıcaklığı nedeniyle artık gerilmeler daha düşüktür. Büyük karmaşık şekiller üretilebilir. Bu yöntemle hazırlanan kompozit, gelişmiş mekanik özelliklere, korozyon direncine ve termal şok direncine sahiptir. Farklı kompozit özellikler üretmek için çeşitli matrisler ve lif kombinasyonu kullanılabilir. (SiC, C, Si 3 N 4 , BN, B 4 C, ZrC, vb.). Düşük infiltrasyon sıcaklığı ve basınçları nedeniyle liflerde ve ön kalıbın geometrisinde çok az hasar vardır. Bu işlem, elyaf ve matris seçiminde önemli ölçüde esneklik sağlar. Gazların saflığı dikkatlice kontrol edilerek çok saf ve tekdüze bir matris elde edilebilir.
Dezavantajları
Artık gözeneklilik yaklaşık% 10 ila% 15'tir ve bu yüksektir; üretim oranı düşük; sermaye yatırımı, üretim ve işleme maliyetleri yüksektir.
Uygulamalar
CVI, çeşitli yüksek performanslı bileşenler oluşturmak için kullanılır:
- Uzay araçları için ısı kalkanı sistemleri.
- Aşırı termal şok yaşayan yanma odaları, türbin kanatları, stator kanatları ve disk frenler gibi yüksek sıcaklık sistemleri.
- Brülörlerde, yüksek sıcaklık valflerinde ve gaz kanallarında CMC'lerin oksitleri kullanılır. Korozyon direnci ve aşınma direnci sağlamak için kaymalı yatak bileşenleri.