了解碳碳复合材料加工方法之一 ——化学气相沉积法

    CVD 工艺是最早采用的一种 C/C 复合材料致密化工艺， 其过程为把 CF 坯体放入专用 CVD 炉中， 加热至所要求的温度， 通入碳氢气体， 这些气体分解并在坯体
内 CF 周围空隙中沉积碳。

(1) 基本原理

   碳氢气体(如 CH4、 C2H6、 C3H3、 C2H4) 等受热时， 形成若干活性基， 活性基与CF 表面接触时， 就沉积出碳。 CVD 法的优点是工艺简单， 坯体的开口孔隙很多， 增密的程度便于精确控制，
易于获得性能良好的 C/C 复合材料。 缺点是制备周期太长， 生产效率很低。

(2) CVD C/C 复合材料的基本方法

CVD 法包括等温法、 热梯度法、 压差法、 脉冲法、 等离子体辅助 CVD 法。

①等温法: 即将坯体放在等温的空间里， 在适当的压力下， 让碳氢气体不断地从坯体表面流过， 靠气体的扩散作用， 反应气体进入样品孔隙内进行沉积， 该法特点是工艺简单， 但周期很长， 制品易产生表面涂层， 最终密度不高。

②热梯度法: 在坯体内外表面形成一定温度差， 让碳氢气体在坯体低温表面流过， 同样， 也是依靠气体扩散作用， 反应气体扩散进孔隙内进行沉积， 由于反应气体首先接触的是低温表面， 因此， 大量的沉积发生在样品里侧， 表面很少沉积或不沉积， 随着沉积过程的进行， 坯体里侧被致密化， 内外表面温差越来越小，沉积带逐渐外移， 最终得到从里至外完全致密的制品。 此法周期较短， 制品密度较高， 存在的问题是重复性差， 不能在同一时间内沉积不同坯体和多个坯体， 坯体的形状也不能太复杂。

③压差法: 压差法是均热法的一种变化， 是在沿坯体厚度方向上造成的一定的气体压力差， 反应气体被强行通过多孔坯体。 此法沉积速度快， 沉积渗透时间较短， 沉积的碳均匀， 制品不易形成表面涂层。

④脉冲法: 此法是一种改进了的均热法， 在沉积过程中， 利用脉冲阀交替地充气和抽真空， 抽真空过程有利于气体反应产物的排除。 由于脉冲法能增加渗透深度， 故适合于 C/C 复合材料后期致密化。

⑤等离子体辅助CVD法(PACVD) : 在常规的CVD技术中需要用外加热使初始反应的碳氢气体分解， 而在PACVD技术中是利用等离子体中电子的动能去激发气相化学反应。 PACVD的辉光放电等离子体是施加高频电场电离的低压和低温气体。等离子体的电离状态是由其中高能电子以某种方式来维持的， 施加电场时， 由于电子质量轻， 所以传递电子的能量高， 同时由于等离子体中电子与离子质量的差别， 限制了电子将能量传递给离子， 结果电子的动能被迅速增加到能发生非弹性碰撞的程度， 此时高能电子引起电离， 并通过与碳氢气体分子的相互作用而形成自由基， 自由基在坯体里聚合形成沉积碳。 由于等离子体有较高的能量， 所以在相当低的温度(典型值低于300℃) 激发化学反应， 与此同时由于其非平衡性， 等离子体不会加热碳氢气体和坯体。 但PACVD与常规的CVD化学反应热力学原理不同， 形成的沉积碳结构差别很大。更多碳碳复合材料信息可查看http://www.tqtf008.top