C/C 复合材料的成型工艺解析

  C/C复合材料的成型过程就是将碳纤维预制体与碳前驱体不断复合,碳前驱体不断裂解的过程。其中碳纤维预制体主要有碳纤维布经过穿刺、针刺、缝合等工艺形成具有高孔隙率的碳纤维编制体。因此碳前躯体不断填充碳纤维预制体的过程就是碳纤维预制体致密化的过程,同时也是传统碳/碳复合材料的制备工艺过程。为达到高致密度的碳纤维预制体,需要不断地重复将碳前驱体填充到碳纤维预支中去。碳纤维预制体致密化工艺是碳/碳复合材料性能和工艺的关键技术,同时也国内外研究的热点问题。针对碳纤维预制体致密化过程,目前最主要用到的有两种工艺。

  1.浸渍/碳化法致密化工艺

  该方法是传统的制备C/C复合材料的工艺。主要通过多次的浸渍.碳化和高温热处理来达到致密化的目的。在浸渍过程中需要给与一定的压力,使液态的前驱体溶液渗入碳纤维预体中;碳化和高温处理需要在惰性e气氛下进行,通过加热使碳前驱体中其他小分子脱出,而碳经过缩聚形成碳质材料,填充在碳纤维预制体的空隙当中。

  2.化学气相渗透法

  化学气相渗透(CVI)致密化工艺是通过气一固表面多相反应,在预制体空隙中不断沉积的一种工艺。因此要求在制备过程中碳纤维预制体孔隙率要高,通过烃类物质的气相热解、扩散、沉积等过程形成碳基体。该工艺主要缺点是周期长,生产效率低,不易实现高致密的复合材料。同时,该工艺具有设备简单、基体均匀的优点。通常,采用CVI工艺制备的C/C复合材料需要高温进行热处理,主要目的是促进基体碳的深度成碳以及将基体材料中的孔隙率打开的目的。

  从以上制备工艺可以看出,对于较厚、尺寸较大的碳纤维预支而言,采用浸渍/碳化工艺很难保证内部碳预支的均匀;而采用CVI时,生产周期较长。因此,在实践中,通常采用两种工艺相结合的方式进行。先采用浸渍/碳化法再采用化学气相渗透法,经研究发现,采用两种方式结合,能够大幅度提高制备效率及致密度。

  C/C复合材料在高温极端环境下服役过程中主要有氧化、升华及剥落等方式对复合材料造成损伤。尤其是C/C复合材料在有氧环境下的氧化问题是限制其在长时间服役的飞行器下应用的技术瓶颈问题。

  就目前发展而言,主要有两种方式提高C/C复合材料的抗氧化性能:一是在基体中引入抗氧化性能优异的第三相陶瓷相,如ZrB2.SiC等,但是由于在碳纤维内部和碳纤维单丝上包覆其他陶瓷相具有一定的困难;二是表面涂层法,即在C/C复合材料表面制备层高温抗氧化涂层,用于保护基体材料。从目前的发展情况来看,涂层法是最有潜力的一种方法。早期,主要研究适用于900℃左右的抗氧化添加剂,主要有氧化硼、碳化硼以及氮化硼等;采用硅基化合物,如SiC、SiO2以及MoSi;等可以将抗氧化性能提升至1300℃左右;对于更高的使用温度要求,采用较高的难熔化合物作为添加剂是目前研究的热点。因此,在今后,针对C/C复合材料抗氧化问题,需要展开深入系统的研究。