浅浅概述碳碳复合材料新等温等压 CVI 法特点和效果
　　

    2001 年 , 德国 Karlsruhe 大学研究组报道了 一种关于 CVI 的新理论和相应的验证实验  , 在实验中使用了直径 1 1 1 mm , 长度 32 1 5 mm 的毛细孔来模拟孔隙 . 用甲烷作为气源进行沉积 , 其温度为 1 100℃和 1 125 ℃ , 甲烷压力范围 10 - 30 KPa , 不同流速气体对应的滞留时间为 0 1 08 ,0 1 2 ,0 1 5 s. 实验发现 , 当毛细孔外的气相反应进行程度被短的气体滞留时间所限制时 , 从毛细孔口到内部的沉积坡度是增加的 .增大毛细孔内气相反应的进行程度、甲烷压力和毛细孔深度均有利于提高坡度 . 缩短滞留时间明显地有助于提高坡度 , 相反 , 增长滞留时间明显会减少沉积坡度 . 新理论认为 , 在传统的等温等压 CVI 法中 , 其基本原理是 Kotlenski 在大约 25 年前提出来的  , 当时 Kotlenski 是在毛细孔外滞留时间不够短的情况下观察到从孔口到内部沉积坡度减小 , 得出了 炭的化学气相渗积是被扩散控制的错误结论 . 按照此理论 , 要想减小孔口处的沉积速率 , 使孔口不致于过早堵死 , 使气体尽可能扩散到孔内部 , 在内部沉积 , 必须用低温 , 特别是要用低压 , 这样就造成传统等温 CVI 法的时间过长 , 而且孔口只是堵塞的慢了 , 一段时间后照样又会堵死 , 所以不得不加入中间高温热处理工序 , 以打开堵塞的孔口和中间机加工工序以去除表面涂层硬壳 , 这又得占用大量高能耗设备 , 进一步造成材料成本的增加 , 同时又浪费了 材料 . 

      因此研究提出 , 沉积过程中甲烷受热裂变为分子量更大的烃、环烃、芳香烃或多环芳香烃类化合物 ,碳沉积速率随分子量增大而增大  , 同时分子量大的烃扩散速率会减小 . 如果甲烷在毛细孔外滞留时间为无限短的理想情况下 , 也即是其裂变几乎都是在已进入毛细孔后开始的 , 裂变生成分子量大的烃类和氢 , 其中氢的浓度很高 . 氢非常容易扩散出毛细孔 , 所以从毛细孔内部到孔口 , 氢的浓度是增加的 . 这里 , 芳香烃和多环芳烃这类大分子进行炭沉积时 , 氢起抑制剂的作用 , 其浓度与抑制作用 密 切相关  . 加之高分子化合物特别是芳烃的扩散速度非常低 , 而且沉炭速率又很高 , 从毛细孔口到内部沉炭速率是增加的 , 因此 , 导致沉积的坡度增加 . 这对具有瓶颈形孔口的孔隙增密是极其有利的 . 若孔深度
加深时 , 大分子烃类扩散出去会更难 , 所以从孔口至内部坡度的增加会更大 .

　　甲烷是一种非常稳定的分子 , 在低压下 , 活化能范围从 380 kJ/ mol ( 由元素的反应得到的结果 ) 到356 kJ/ mol( 流动反应器测定的结果 ) 或 350 kJ/ mol ( 从CVI 实验确定的结果) .用其进行炭沉积甚至需要更高的活化能 , 大约 4450 kJ/ mol ; 这个结果来自于炭的 C ∞ (H) ———表面复合物离解时的速度限制步骤 .因此 , 用甲烷进行炭的 CVI 需要较高的温度 . 前述的各种方法 , 在错误理论的指导下 , 都不敢使用高温 ,因而导致沉积周期很长 .

　　增加甲烷压力也会增加从毛细孔口到内部的坡度 , 这可能是因为压力增加会减少高分子烃类扩散到毛细孔以外 . 另外 , 高压意味着更多的气相反应中间产物 , 当这些产物在表面反应中没有被完全消耗掉时 , 较大的芳香类烃就会形成 . 随着沉积的进行 , 毛细孔的表面积与体积的比值会增大 . 这将导致坡度减少 , 在这种情况下为维持气相反应的进行程度 , 高压仍是很重要的 .

　　在新理论的指导下 , 严格控制毛细孔外甲烷的滞留时间 , 采用较高温度、压力的等温等压 CVI , 仅沉积 120 h , 碳 / 碳复合材料密度可达 1 1 9 g/ cm 3 , 且显微组织为粗糙层炭 (RL) , 各种性能好 , 不需中间高温热处理打开瓶颈形口及机械加工工序去除表面涂层的操作 , 节约了 制品材料 , 简化了 工艺 , 这将使得这种高性能材料走向民用逐渐成为可能 .

　　综上所述 , 新的等温等压 CVI 与传统的等温等压工艺相比 , 其共同点是都采用等温等压方法 ; 其区别是: 

       (1)前者所采用的温度、压力均高于后者;

       (2)预制体外滞留时间 , 前者远远低于后者;

       (3)建立在不同的沉积理论之上    更多碳碳复合材料信息可查看http://www.tqtf008.top