氣體流場對C/C復合材料CVI致密化效果的影響①

王 洲，鄧紅兵，崔 紅，王坤杰，李 晉

(1.西安航天復合材料研究所，西安 710025;

2.高性能碳纖維制造及應用國家地方聯合工程研究中心，西安 710089)

氣體流場對C/C復合材料CVI致密化效果的影響①

王 洲1，2，鄧紅兵1，2，崔 紅1，2，王坤杰1，2，李 晉1，2

(1.西安航天復合材料研究所，西安 710025;

2.高性能碳纖維制造及應用國家地方聯合工程研究中心，西安 710089)

以丙烯為碳源氣體，研究平板針刺預制體在不同傾斜角放置和不同進氣方式條件下化學氣相滲透(CVI)工藝制備C/C復合材料的致密化效果。采用工業CT、浸泡介質法和偏光顯微鏡對沉積樣品的密度分布、開孔孔隙率和織構分別進行表征。沉積102 h后，傾斜17°、前進氣條件下試件的密度最高，達到1.45 g/cm－3。結果表明，試樣由底端到頂端的密度是有小幅遞增的，開孔孔隙率是逐漸減小的。4塊試件熱解炭的織構以光滑層為主，試樣消光角的測量結果表明直立狀態和傾斜17°、后進氣狀態熱解炭織構取向度從底部到頂端有增大的趨勢，這種織構的增長趨勢與錐形回轉體擴張段的材料設計相符合。

C/C復合材料;丙烯;化學氣相滲透

0 引言

C/C復合材料因其具有比重輕、比強度高、比模量高、熱膨脹系數小、抗熱沖擊性能強、抗腐蝕、耐燒蝕等一系列優異性能［1－2］，被廣泛用于航空航天、核能、冶金、汽車等領域［3－4］。

固體火箭發動機錐形回轉體擴張段在工作時，小端到大端的工作溫度變化為2 600～1 300℃，工作壓強變化為 900～15 kPa，燃氣流速變化為 1 800～3 000 m/s，這就要求擴張段C/C復合材料的性能從小端到大端呈梯度變化［5－6］。目前，CVI法制備的 C/C復合材料絕大多數是均勻致密化的，材料的性能是均一的，這種材料往往只能滿足單一工作條件的要求。而噴管擴張段高度方向的工作條件是梯度變化的，這就要求設計高度方向密度和熱解炭織構梯度變化的C/C復合材料來滿足擴張段的工作條件。

試件的幾何形狀影響著CVI過程中的氣體流場，而氣體的流場對熱解炭的沉積效果又有顯著的影響［7］，為初步了解C/C錐形試件沉積過程中沿高度方向的沉積效果，采用將平板試件傾斜一定角度的方式模擬錐形結構，并改變沉積過程中的進氣方式，探索傾斜角和進氣方式對CVI沉積效果的影響，獲得沿試件高度方向熱解炭織構和密度的分布規律，了解C/C復合材料高度方向性能變化與沉積條件的關系。

1 試驗

1.1 主要原材料及試驗條件

采用無緯布網胎鋪層針刺預制體，預制體初始密度為0.53 g/cm3，尺寸為 300 mm×130 mm×15 mm，形狀見圖1。碳源氣體為丙烯(C3H6)，稀釋氣體為N2。

圖1 針刺預制體形狀Fig.1 Shape of needling felt

采用等溫等壓CVI爐，沉積溫度為1 233 K，沉積壓力為 4 kPa，C3H6流量為 0.6 m3/h，N2流量為0.8 m3/h，通過特定的工裝實現試件在爐內以不同傾斜角放置及不同方式進氣(圖2)，出氣口均在工裝的頂端，使氣體沿試件高度方向流動，研究單一高度方向時，試件的致密化效果。

圖2 試件放置方式及進氣方式Fig.2 Placement and gas methods of samples

圖2中4種試件編號為:(a)C-0-1-1;(b)C-17-1-1;(c)C-17-1-0;(d)C-17-0-1。試樣編號含義為:材料-傾斜角度-是否前進氣(0否，1是)-是否后進氣(0否，1是)。

1.2 體密度及密度分布測試

對規則試件可稱出質量，采用游標卡尺測量試件的尺寸，體密度的計算直接根據公式:

式中 m為試件的質量;V為試件的體積;ɑ為試件的長;b為試件的寬;h為試件的高。

利用2MeV直線加速器工業CT對不同沉積條件下試件的密度分布進行檢測，根據CT切面圖中相對密度曲線，可定性得到試樣的密度分布［8－9］。

1.3 開孔孔隙率的測試

本實驗采用浸泡介質法［10］測量C/C復合材料的開孔孔隙率。試樣開孔孔隙率計算公式:

式中 P為材料的開孔孔隙率;m1為試樣的干燥質量;m2為試樣飽和浸漬蒸餾水的質量;ρ為蒸餾水的密度。

為了解平板試樣沿高度方向開孔孔隙率的變化，試樣選取如圖3所示。

1.4 微觀結構表征

以環氧樹脂作為主要鑲嵌材料，對C/C復合材料的熱解炭進行偏光顯微結構的觀察，同時測量消光角(Ae)。

圖3 開孔孔隙率試樣選取分布圖Fig.3 Selection method of samples for open porosity

2 結果與分析

2.1 致密化速率分析

隨著致密化時間的增加，各種沉積條件下試件的密度增長逐漸減小，見圖4。致密化初期，預制體內孔隙較多，孔隙尺寸也較大，氣體很容易就擴散到預制體的內部，因而材料的體密度增長均較大。隨著致密化時間的增加，材料內的孔隙減少，且孔隙尺寸減小，甚至形成閉孔結構，氣體的擴散受到影響，試件表面供氣體反應的活性點也相應的減少，故體密度增長必然會減小。

由圖4還可看出，不同傾斜角和進氣方式均會對試件體密度增長有影響。前后進氣時，傾斜0°(即直立狀態)試件的體密度增長比傾斜狀態的快。對于平板試件橫向放置(試件高度h方向與進氣方向垂直)時，會影響氣流的平穩流動，甚至會在與進氣方向相反的試件表面產生回流現象，影響了沉積效果;而縱向放置(試件高度h方向與進氣方向平行，即試樣C-0-1-1)時，氣體流動平穩，各個表面接觸氣體的時間均勻，所以沉積效果較好［7］。傾斜狀態就相當于將橫向放置和縱向放置相結合，氣體流動不如直立狀態的平順，故試件的體密度增加較慢。傾斜狀態采用不同進氣方式時，前進氣沉積效果最好，前后進氣次之，后進氣最差。這是由于前進氣的壓力梯度為正，氣體流動平順;后進氣的壓力梯度為負，氣體會在沉積腔內形成回流，影響沉積效果。

圖4 材料體密度隨沉積時間的增長曲線Fig.4 Change curves of bulk density of materials with the increase of deposition time

2.2 相對密度分布分析

圖5、圖6分別為沉積102 h后C/C復合材料沿試件高度方向的CT切面圖和相對密度分布曲線。

圖5 4種試樣的CT切面圖Fig.5 CT section image of four samples

圖6 4種試樣的相對密度分布曲線Fig.6 Relative density distribution curves of four samples

由圖5可見，隨著高度增加，切面顏色逐漸加深，這與CT相對密度分布曲線由試件的底端到頂端密度有小幅增加是一致的，不過圖6(a)的密度增量較平穩，圖 6(b)、(c)、(d)均是波動增長。Becher A［11］的實驗表明丙烯在氣體滯留時間很短時就徹底分解，故丙烯由沉積爐的底部進入后很快就分解為小分子氣態產物，這些物質會部分沉積到試件上，隨著氣態產物的向上流動，就相當于增加了氣體的滯留時間，氣-氣均相反應就會不斷地進行，大分子氣態產物(如芳香族氣體)就偏向在試件上部生成［12］，這些大分子氣態產物比小分子氣態產物的沉積速率快，因此就導致了試件由底端到頂端的密度是有小幅增加的。而傾斜17°時，沉積爐內會有回流現象，故試件高度方向氣體滯留時間的增加不是線性的，也就導致了密度分布的非線性變化。

2.3 開孔孔隙率分析

由圖7可見，沿著試件高度方向，沉積得到的C/C復合材料開孔孔隙率逐漸降低，這與圖5、圖6中材料的密度分布沿底端到頂部逐漸增加是一致的;部分材料的開孔孔隙率在頂端有小幅的增加，這是由于試件頂端的氣體相對于底部的反應時間長，所以頂端沉積的分子量大于底部沉積的，大分子沉積速率快，但是結構較松散，容易形成開孔。

圖7 C/C復合材料試樣的開孔孔隙率Fig.7 Open porosity of C/C composite samples

2.4 微觀結構分析

依照開孔孔隙率的取樣方式分別選取了4塊試件的1、3、5號試樣進行偏光顯微鏡的金相分析，結果如圖 8所示。其中，(a)、(b)、(c)為 C-0-1-1 的 1、3、5;(d)、(e)、(f)為 C-17-1-1 的 1、3、5;(h)、(g)、(k)為C-17-1-0 的 1、3、5;(m)、(n)、(p)為 C-17-0-1 的 1、3、5。

試件直立狀態時，沉積爐內的氣體流場較平穩，沿著試件高度方向氣體的滯留時間會稍稍增大，故織構的分布由最底部的光滑層(SL)過渡到最頂端的SL與粗糙層(RL)復合形成的帶狀結構。傾斜17°時，前后進氣，起初為SL與RL復合形成的帶狀結構，到達頂端時形成再生層狀結構(ReL);前進氣，ReL出現在了試件的中部;后進氣，織構類型沒有變化，高度增加復合帶狀結構中RL的比例有所增加。

由于試件的放置方式會影響沉積過程中氣體的流場，試件的高度和回流都會影響氣相中氣體的濃度分布。試件底部碳源氣體剛開始分解，小分子量的氣態產物較多;隨著高度的增加以及形成回流，氣態反應的時間增加，大分子氣態產物不斷增多，這種梯度分布的氣體濃度影響著沉積熱解炭的織構分布。碳源氣體裂解為小分子后，在氣相中經過一段時間的反應，通過加成、聚合、脫氫環化等反應生成苯及含有六元環的芳香烴，根據 Particle-Filler模型［13］，當氣相中形成的芳香烴(Particle)與乙炔為主的直鏈烴(Filler)達到一定的比例時，則形成相應織構的熱解炭，即RL只在中等滯留時間生成。滯留時間太短，氣相中多為小分子碳氫化合物，生成SL;而滯留時間過長，則使聚合芳香烴的濃度過大，聚合芳香烴所包含的結構缺陷也就越多，從而使生成的熱解炭結構缺陷多，如ReL［14］。

圖8 C/C復合材料的偏光顯微結構Fig.8 Polarized microscopic structure of C/C composite

從圖8可看出，預制體直立狀態和傾斜17°、后進氣狀態的材料高度方向織構的擇優取向度有增大的趨勢，這與錐形擴張段大端到小端的織構設計為SL到RL有相同的分布規律。從目前的數據分析，這2種沉積狀態具有生成熱解炭織構隨著試件高度增長從SL到RL的潛力。由于本實驗選取的預制體高只有300 mm，與實際擴張段的高度有差距，還需進一步的實驗論證。

3 結論

(1)以丙烯為碳源氣體，選擇等溫CVI工藝條件，可實現對薄壁試件的快速致密化，102 h即可將0.53 g/cm3的針刺預制體增密到 1.45 g/cm3。

(2)傾斜角和進氣方式會影響沉積爐內氣體的流場，形成試件沿高度方向密度的小幅遞增和開孔孔隙率的逐漸減小。

(3)直立狀態和傾斜17°、后進氣狀態材料高度方向熱解炭織構取向度有增大的趨勢，這與錐形擴張段的材料設計相符合。

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(編輯:呂耀輝)

Influence of gas flow field on CVI densification effect of C/C composite

WANG Zhou1，2，DENG Hong-bing1，2，CUI Hong1，2，WANG Kun-jie1，2，LI Jin1，2
(1.Xi＇an Aerospace Composite Materials Research Institute，Xi＇an 710025，China;2.National and Local Union Engineering Research Center of High-Performance Carbon Fiber Manufacture and Application，Xi＇an 710089，China)

Flat needling carbon felts were infiltrated with various inclined angles and gas admission methods，using propylene as carbon source.Density distribution，open porosity，texture of the infiltration samples were characterized by using industrial CT，dielectric soak method and polarized-light microscopy.Under the condition of inclined angle 17°and front gas inlet，density of the infiltrated sample reaches 1.45 g/cm3after infiltration for 102 h.The density is increasing slightly and the open porosity is decreasing gradually，from the bottom to the top of the samples.Texture of pyrolytic carbon in the samples belongs to smooth laminar mainly.Extinction angle of the samples were measured and the results show that the orientation degree of the texture increases from the bottom to the top of the samples infiltrated with inclined angle of 0°and 17°under back gas inlet.The growth trends of the texture correspond to the design of the materials used for nozzle divergent.

carbon/carbon composite;propylene;chemical vapor infiltration

V258

A

1006-2793(2014)06-0868-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2014.06.024

2013-12-25;

2014-02-21。

王洲太(1988—)，女，碩士，研究方向為C/C復合材料工藝。E-mail:wangzhou1988724@163.com