[发明专利]一种进气组件、气相沉积装置及其复合材料制备方法

说明书

本申请属于复合材料制备技术领域，具体而言，涉及一种进气组件、气相沉积装置及其复合材料制备方法。该申请利用插入多孔纤维预制体内部的若干小直径分支管对预制体各区域进行单独供气，同时以支撑平板封闭预制体底部出口，使得气体只能在分支管出口所在的水平层内横向流动，最后从预制体侧壁流出。当一层沉积完成后控制进气结构向上移动一段距离，继续沉积下一层。该工艺将预制体水平方向划分为若干六边形区域并对单个区域分别供气、堵住底面出口迫使气体横向渗透最后从预制体侧边流出、控制进气结构使插入预制体内部的出气口从下至上移动，这三个特点保证了多孔预制体能够分层沉积，且每一层能够充分均匀沉积。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体而言，涉及一种进气组件、气相沉积装置及其复合材料制备方法。

背景技术

纤维增强复合材料是由多孔纤维骨架和填充基体组成的热结构材料，这类材料以其低密度、耐高温、高强度、耐磨损等诸多优良性质而在航空航天和国防领域有着巨大的应用潜力。

纤维增强复合材料有多种制备工艺，其中比较成熟的是等温化学气相渗透(以下简称CVI)法。复合材料的等温CVI制备过程中，多孔纤维预制体放置于沉积炉内，高温前驱气体在炉膛内胆内慢速流动，气体发生裂解、聚合等复杂反应，反应生成的固体沉积于多孔预制体的表面或内部，随着沉积的进行，多孔预制体变得稠密乃至固化。如附图1所示，由于气体从预制体表面向内部扩散，表面气体浓度高于内部，致使表面附近沉积较多，最终预制体表面被封堵，而内部依然有较大残余孔隙率。

发明内容

本申请旨在解决已有技术中的至少部分技术问题，基于本发明人对以下事实和问题的发现和理解：为解决CVI制备复合材料中沉积不均匀和较大残余孔隙率的问题，美国橡树岭国家实验室的Besmann和Vaidyaraman等人提出热梯度强制CVI法，通过水冷托盘在预制体厚度方向制造较大温差，前驱气体在压力驱动下从预制体冷端流向热端，随着气体在热端的裂解和沉积，预制体热端附近密度变大、热导率增高，高温区(沉积带)不断向冷端蔓延。这种方法在一定程度上能够避免预制体表面过早封堵，但冷端疏松热端致密的问题依然没有解决，预制体热端基体沉积厚度达到了22-24μm而冷端最大厚度也只有8μm。西北工业大学张立同团队采用“CVI+PIP”和“CVI+RMI”等混合工艺制备CMCs，先用CVI进行气相沉积，气相沉积无法继续进行后采用液态浸渍(PIP)或加压毛细渗透(RMI)的方式进行进一步增密。“CVI+PIP”或“CVI+RMI”确实能获得较为致密的复合材料，但PIP或RMI均在远高于CVI的工作温度下进行，对纤维性能有一定损伤；此外，PIP或RMI的单次效率较低，为获得致密复合材料，往往需要5～7轮重复操作。

有鉴于此，本公开提出了一种进气组件、气相沉积装置及其复合材料制备方法，以解决多孔纤维沉积气体浓度分布不均以及表面易封堵的问题，帮助制备均匀致密的复合材料。

根据本公开的第一方面，提出进气组件，包括：

两根主气管，第一根主气管竖直放置，第二根主气管水平放置，第一根主气管的上端口引入预热过的前驱气体，第一根主气管的下端口与第二根主气管连通；

多根连接管，多根所述连接管从所述第二根主气管上引出，所述多根连接管垂直于所述第二根主气管；

多根分支管，多根所述分支管置于所述连接管的下方，多根所述分支管分别与相应所述连接管连通。

可选地，所述主气管、所述连接管、所述分支管的直径之比为：(2.7～4.6):(1.5～2.3):1。

可选地，所述主气管、所述连接管、所述分支管的直径之比为：3:1.7:1。

可选地，所述分支管的直径为：0.5～3mm。

根据本公开的第二方面，提出了一种化学气相渗透装置，包括：

进气组件，所述进气组件为本公开提出的进气组件；