[发明专利]压力梯度化学蒸汽渗透和沉积的设备及工艺和制品

说明书

本发明是关于粘结材料在多孔骨架内用化学蒸汽渗透和沉积制作的高温复合材料领域。本发明特别是关于迫使反应气体渗透进入多孔骨架的压力梯度工艺、实施此项工艺的设备和最终的制品。

化学蒸汽渗透和沉积(CVI/CVD)是将粘结材料沉积在多孔骨架内的一种公知工艺。“化学蒸汽沉积”(CVD)通常是指表面涂料的沉积，但它也用于粘结材料在多孔骨架内的渗透和沉积，这里所采用的CVI/CVD规定为粘结材料在多孔骨架内的渗透和沉积。本技术特别适用于通过碳质或陶瓷的粘结材料在碳质或陶瓷的骨架内的沉积，制作高温结构复合材料，获得象碳/碳飞机制动板和陶瓷燃烧室或透平部件等非常有用的构件。通常已知的CVI/CVD工艺可分为以下四类：等温、温度梯度、压力梯度和脉冲流。参见W.V.Kotlensky，“热分解碳在多孔固体内的沉积”，碳的化学和物理8,173,190-203(1973)；W.J.Lackey，“用于纤维增强陶瓷复合材料制造的化学蒸汽渗透工艺的综述、现状和将来”，Ceram，Eng.Sci.Proc.10[7～8]577，577-81(1989)(W.J.Lackey将压力梯度工艺归为“等温加压流”)。在等温CVI/CVD工艺中，反应气体在绝对压力低于几个毫乇下环绕热的多孔骨架而过。由于浓度梯度使气体扩散进入多孔骨架内，并热解使粘结材料沉积。此种工艺也称为常规CVI/CVD。多孔骨架被加热到大体均匀的温度，但实际上这是用词不当的。由于不均匀的加热(在绝大多数炉子内是不可避免的)，反应气流造成某些部位的冷却，以及反应热引起其他部分的加热或冷却，多孔骨架内温度的波动是不可避免的。实质上，“等温”意味着主要不是靠形成温度梯度来使粘结材料沉积。这种工艺适合同时致密大量多孔制品，也特别适用于制作碳/碳制动板。以恰当的工艺条件，能使具有所希望的物理性质的粘结材料沉积。但是，为了达到有效的密度，常规CVI/CVD可能需要连续操作数周，而且表面层首先被压实形成“密封层”阻止反应气体进入多孔骨架内部而进一步沉积。因此，这种工艺通常要求间断致密过程的多表面加工操作。

在温度梯度CVI/CVD工艺中，按产生急剧温度梯度的方式加热多孔骨架，使多孔骨架的需要的部位发生沉积。温度梯度可以由只加热多孔骨架的一个表面来形成(例如，将多孔骨架面对感应器的壁放置)，并能通过冷却相反的另一个表面而得到强化(例如，将多孔骨架的相反的表面对着液体冷却壁)，粘结材料从热表面逐步到冷却面依次沉积。温度梯度工艺的设备趋向于复杂、昂贵，而且难于实现相对大量的多孔骨架的致密。

在压力梯度CVI/CVD工艺中，在多孔骨架一个表面到相对的另一个表面间形成的压力梯度作用下，反应气体受压通过多孔骨架。反应气体的流动速率比等温和温度梯度工艺中大很多，这使得粘结材料沉积速度增加，这种工艺被称为加压流动CVI/CVD。原有的压力梯度CVI/CVD设备趋于复杂、昂贵，并难于实现大量多孔骨架的致密。例如，S.Kamura，N.Takase，S.Kasuya和E.Yasuda在“碳纤维/CVD碳复合材料的断裂行为”，Carbon′80(德国陶瓷协会)(1980)中提供的沿单向纤维束的纵向形成轴向压力梯度的工艺。再如，美国专利4,212,906和4,134,360中提供的使环形多孔器壁致密的形成纯径向压力梯度的工艺。这两个专利所报导的环形多孔器壁可能是大量层叠环形板(用于做制动板)或一个整体管状骨架。对厚壁骨架复合材料，纯径向压力梯度工艺产生一个从环形多孔器壁的内圆柱面到外圆柱面的很大的，不希望有的密度梯度。也即高压端的表面很快被致密，造成表面密封并阻止反应气体向低密度区渗透，这严重地限制了纯径向压力梯度工艺的应用。

最后，脉冲流包括对加热多孔骨架的容器快速交替充入和抽出反应气体。交替作用促使反应气体渗入多孔骨架并从多孔骨架移走反应气体的热解副产物。实现这种工艺的设备是复杂的、昂贵的和难以维护的。这种工艺很难实现对大量多孔骨架的致密。