浸渍技术 液态浸渍成型法

浸渍技术液态浸渍成型法

这种方法适用于长纤维尤其是玻璃或玻璃陶瓷基复合材料，因为它的热压温度低于这些晶体基体材料的熔点。陶瓷熔体的温度要比聚合物和金属的温度要高得多，这使得浸渍预制件相当困难。陶瓷基体和增强材料之间在高温下发生反应，陶瓷集体与增强材料的热膨胀失配，室温与加工温度相当大的温度区间以及陶瓷的应变失效都会增加陶瓷复合材料产生裂纹。因此，用液态浸渍法制备陶瓷基复合材料，化学反应性、熔体粘度、熔体对增强材料的浸润性是首先要考虑的问题，这些问题直接影响陶瓷基复合材料的性能。

由于任何形式的增强材料制成的预制体都具有网络空隙，而毛细作用陶瓷熔体可渗入这些孔隙，因此，通过施加压力或者抽空有利于浸渍过程。

液态浸渍法也成功地应用于制备C/C复合材料、氧化铝纤维增强金属间化合物复合材料。

用液态浸渍法可以获得纤维定向排列、低空隙率、高强度的陶瓷基复合材料，而且过的的基体比较密实。但是，由于陶瓷的熔点较高，熔体与增强材料之间会产生化学反应，基体与增强材料的热膨胀系数相差大会由于收缩率的不同而产生裂纹。

化学气相浸渍(CVI)成型法

CVI法源于20世纪60年代，经过40多年，CVI法在制备连续纤维增强陶瓷基复合材料方面已取得很大的进展，并已发展成为商业化的方法。CVI法是将反应物气体浸渍到多孔预制件的内部，发生化学反应进行沉积，从而形成陶瓷基复合材料。总之，CVI过程是由传质过程和化学反应过程组成。传质过程主要包括：反应物通过主流到达固体的表面，然后到达孔洞的壁面，产生的副产物由壁面进入主气流。在此期间的化学反应非常复杂，其中可能涉及在气相进行的均相发应和在固体壁面上进行的非均相反应，会产生很多中间产物，最后才能得到所期望的沉积物。伴随着沉积条件的改变，CVI各个过程的相对速度也会发生相应的改变，因为决定作用的过程不同，CVI过程产物的结构和沉积速度也不同因此可以就定CVI复合材料的结构的差异。

CVI过程主要是将复合材料致密化。在一般沉积条件下，预制体的外部特征尺寸大于反应物气体的平均自由程，而内部空洞的特征尺寸等于或小于反应物气体的平均自由程，这样就决定了多孔预制体外部和内部所依赖的物质传输机制不同。外部为Fick扩散传质，而内部为分子流扩散传质，因而传质速度与化学反应速度在预制体的不同位置而有所不同。原因可能石外部处于化学反应的动力学控制范围，而内部处于传质控制范围，这样会使预制体内外的沉积不同，外部沉积多而内部沉积少，而且还会造成内部孔洞的传质通道堵塞，出现“瓶颈效应”，使复合材料存在严重密度梯度。

为了得到结构均匀的CVI复合材料，以及缩短复合材料的制备周期，在原始等温CVI技术的基础上有发展了几类CVI技术。

1）等温CVI

等温CVI又称为“静态法”。它是将预制体置于等温的空间，反应物气体通过扩散渗入到多孔预制件内，发生化学反应并沉积，而副产物气体在通过扩散向外溢出。在等温CVI 过程中，传质过程主要通过气体的扩散进行，因此，沉积过程要消耗很多时间，而且只

能用于薄壁部件。为了提高浸渍深度，一般通过降低气体的压力和沉积温度这俩种方法来进行。沉积一段时间后，还需将部件进行表面加工处理，有利于提高复合材料的致度，因为当预制体内孔隙尺寸小于1um时，很容易造成入口处沉积速度，从而导致孔隙封闭，通过表面加工可使孔洞敞开。

等温CVI的优点：预制体的各个部分基本保持相同的温度，而且温度和压力相对较低；

对预制体形状要求，一次可以同时沉积多个部件；由于这种方法的工艺和设备简单，目前被广泛采用。

等位CVI的缺点：工艺周期太长；如果要提高沉积速率，就必须提高沉积温度，就必须沉积温度，但这又会造成孔洞外口封闭，在材料中形成大的密度梯度和较高的气孔率；

只适用于薄壁部件。

2)温度梯度CVI

温度梯度CVI是使预制体处于不均匀大的温度场中，一般使其外部温度较低，内部温度较高，在工件中形成一个温度梯度。源于气体从工件外部向内渗透，外部温度低，沉积慢，内部温度高，沉积快，这样就不容易发生传质通道的堵塞。随着沉积的进行，使复合材料的致密度和热导率增加，从而使填充从高温区逐渐向低温区转移，直至预制体中的孔隙被沉积物所填充。

温度梯度CVI使复合材料的密度梯度减小，结构均匀性变好。但设备结构复杂，需要专用夹具；对形状复杂的部件不适用；一次只能制备一个部件，效率比较低。

2）压力梯度CVI

压力梯度CVI就是使工件俩端保持一定的压力差，源于气体在压力差的作用下从工件的一段到达另一端，气体先驱体在穿过工件的途中发生沉积反应。该技术可用来生产截面较厚、形状简单而规整的部件。由于气体在压力差下流动，而工件等温，此技术又称为“等温强制流动CVI”。它并没有完全避免出现表面橘皮状堵塞孔道通道的现象。

3）温度梯度——强制对流CVI

温度梯度——强制对流CVI是将温度梯度和压力温梯度CVI的技术结合，是动态CVI法中最经典的方法。在纤维多孔体内施加一个温度梯度，同时还施加一个反向的气体压力梯度，迫使反应气体强行通过多孔体，在温度较高处发生沉积。在此过程中，沉积界面不断有高温区向低温区推移，或在适当的温度梯度沿厚度方向均匀沉积。

在温度梯度——强制对流CVI过程中，由于温度梯度和压力梯度的存在，避免了孔洞过早封闭，有能有效地提高沉积速率。他适用于制作较厚部件，并能大大缩短致密化时间。

一般的，这种技术特别适用于大尺寸、形状复杂的结构件。其缺点是：设备更为复杂，而且源气体消耗多，材料有内应力，热稳定性不好。

4）脉冲CVI

脉冲CVI源气体的充气方式是间歇的。先冲入源气体，当气态先驱体发生沉积反应，再对设备进行抽真空，将生成的气体副产物排出，然后冲入源气体，如此循环，所以称为“脉冲CVI”。由于废气被抽出，充入的气态先驱体很容易向工件渗透并发生沉积反应。

这对于气体难以渗入的预制体无疑会提高渗透率，同时也能减小胚体之间的密度梯度。