基于参数区域控制的高通量化学气相渗透工艺、应用及装置的制作方法

本发明涉及一种化学气相渗透(chemicalvaporinfiltration，cvi)工艺及装置设计方法，特别是涉及一种高通量化学气相渗透工艺、应用及装置，应用于高通量复合材料设计和参数优化以及复合材料快速均匀致密化技术领域。

背景技术：

传统cvi工艺制备复合材料的工艺优化周期长，通常需要通过一系列不同参数体系的大量重复实验及重复样品表征，造成复合材料的制备成本非常高且效率较低。以cvi工艺制备sic/bn/sic复合材料为例：首先需要制备与纤维和基体均有较好结合强度的bn界面层，后期则需沉积出结晶度较好且致密的sic基体。但因bn界面层和sic基体沉积过程的影响因素较多，如沉积温度、滞留时间、沉积压力等，单纯依靠重复实验来优化沉积工艺，需要设计大量的正交实验，并且需要多次重复的表征样品，这将会耗费大量的时间，造成实验成本很高，同时由于天气或沉积设备的原因，不能保证沉积工艺的稳定性，很难确定最优沉积工艺。比如，在sic基体沉积过程中，不同温度(t)、不同压力(p)、不同比表面积(sv)和滞留时间(τ)下气相组元的种类和浓度不同，导致不同位置的sic沉积速率和微观结构不同，并会影响扩散沉积控制下的致密化过程。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于参数区域控制的高通量化学气相渗透工艺、应用及装置，采用基于参数区域控制的cvi工艺在制备高通量复合材料的同时通过对多组参数体系的复合材料进行表征以快速优化复合材料沉积参数，并利用最优参数结合预制体区域移动制备出理想微观结构和力学性能的大尺寸复合材料构件。通过引入全新的材料制备工艺使得参数易于控制，本发明方法具有高效、低成本等优点，本发明方法将为高通量复合材料的制备、表征和cvi工艺参数的择优选取以及大尺寸复合材料的快速制备提供可能。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于参数区域控制的高通量化学气相渗透工艺，具体步骤如下：

a.利用折叠碳纸将cvi沉积炉的沉积区域划分为具有不同比表面积的区间,再将一系列沉积基体样品置于各沉积区间内，进行装炉；优选将折叠碳纸放置于cvi沉积炉的沉积区域，优选通过改变碳纸的折叠程度将沉积区划分为设定比表面积的不同区间；优选通过改变碳纸的折叠程度将沉积区划分为设定比表面积sv∈[103,105]m^-1的不同区间；

b.控制cvi沉积炉的沉积区域的沉积参数，在给定的沉积温度、沉积压力、气体总流量和前驱气体组分比中的任意几种沉积参数下，通过在步骤a中进行的沉积区域划分，在cvi沉积炉中的不同的沉积区间会具有不同的气体滞留时间，从而实现滞留时间的沉积参数区域化控制，在cvi沉积炉的不同沉积区间的滞留时间范围内进行高通量的沉积实验；作为本发明优选的技术方案，控制cvi沉积炉的沉积区域的沉积参数，在步骤a中进行装炉后，将cvi沉积炉内的炉腔进行抽真空并检查系统气密性，确定系统气密性达到要求后，通入氮气至cvi沉积炉内的系统压力至少为80kpa，再升温至沉积温度650～1000℃，达到沉积温度后，维持系统压力为7～10kpa，依次通入化学气相渗透的各气体组分，并在cvi沉积炉的预混区进行气体保温混合后，使混合气体进入反应室进行化学气相渗透反应，最终在cvi沉积炉的不同沉积区间的滞留时间范围内进行高通量的沉积实验；作为上述方案的进一步优选的技术方案，最终在cvi沉积炉的不同沉积区间的滞留时间τ∈[0.5,4]s范围内进行高通量的沉积实验；

c.通过步骤b的沉积参数区域化控制，能实现一次性高通量制备具有不同参数体系的一系列复合材料，并通过对沉积区间内的折叠碳纸和沉积基体样品进行测试表征，以获得cvi沉积炉中的不同的沉积区间的沉积特性和致密化特性的信息，然后进行计算和分析，通过分别调整沉积参数，对一系列工艺参数进行优化选取，从而实现对应各沉积区间的滞留时间和比表面积的参数优化；作为本发明优选的技术方案，通过对沉积区间内的折叠碳纸和沉积基体样品进行沉积增量的测量和切片表征，以获得cvi沉积炉中的不同的沉积区间的沉积特性和致密化特性的信息，然后进行计算和分析，获得不同沉积区的沉积速率、沉积层的微观结构和力学性能，通过分别调整沉积参数，对一系列工艺参数进行优化选取，从而实现对应各沉积区间的滞留时间和比表面积的参数优化；

d.经过步骤c进行沉积参数优化后，选取沉积特性和致密化特性优化的沉积参数和沉积区域，结合沉积基体，通过参数区域控制，采用化学气相渗透工艺，最终实现沉积基体的表层均匀致密化，得到所需的复合材料构件。本发明能通过快速调整参数的区域化高通量cvi工艺装置单次制备并表征多组参数下沉积的高通量材料微观结构和力学性能，快速优化cvi制备复合材料的工艺参数。本发明缩短传统cvi制备复合材料工艺参数的研发周期，达到制备高通量复合材料的同时快速优化工艺参数的目的，并解除预制体静态不可移动性对实现大尺寸复合材料构件均匀致密化的限制。根据基因组高通量原理，本发明基于高通量材料的制备与表征，利用高通量材料制备技术单次制备出多组参数体系的高通量复合材料，通过表征筛选获得目标微观结构和力学性能的复合材料，以达到快速优化工艺参数的目的。本发明是在多组参数控制下沉积速率及成分同步变化的复合材料的制备方法，能广泛应用于高通量复合材料cvi工艺设计和参数优化以及复合材料快速均匀致密化技术领域。

一种本发明基于参数区域控制的高通量化学气相渗透工艺的应用，适用于批量化制备复合材料构件的快速均匀致密化，沉积基体为批量化的不同预制体，在步骤d中，经过步骤c进行沉积参数优化后，选取沉积特性和致密化特性优化的沉积参数和沉积区域，结合不同预制体，通过一次制备工艺安排达到不同区域的多滞留时间、多比表面积的工艺参数下，通过参数区域控制，采用区域控制的化学气相渗透工艺，进行同一批次制备具有不同的沉积速率、微观结构以及物理化学性能的一系列复合材料构件，最终实现高通量cvi工艺，并批量化制备复合材料构件的快速均匀致密化；优选沉积基体为批量化的不同纤维预制体；

或者用于大尺寸复合材料构件的快速均匀致密化，沉积基体为大尺寸预制体，在步骤d中，经过步骤c进行沉积参数优化后，选取沉积特性和致密化特性优化的沉积参数和沉积区域，结合大尺寸预制体的区域移动，通过参数区域控制，采用化学气相渗透工艺，最终实现大尺寸复合材料构件的快速均匀致密化；优选沉积基体为大尺寸纤维预制体。本发明基于cvi制备高通量复合材料方法可以快速优化工艺参数，从而大幅缩短最佳工艺条件的探索周期，并显著降低研究成本，最终实现利用最优沉积参数结合预制体区域移动制备大尺寸复合材料构件。本发明所提出的基于参数区域控制的cvi工艺是一种用于单次制备并表征多组参数体系的复合材料的方法，可以在同一温度(t)、同一压力(p)下通过对沉积区进行区域划分实现对比表面积(sv)和滞留时间(τ)的区域控制。其主要优点是能快速制备多组参数体系的样品，以研究不同参数下复合材料的沉积特性，并实现复合材料沉积参数的快速优化，同时基于最优复合材料沉积参数结合预制体区域移动，可实现大尺寸复合材料构件的高效致密化。

一种本发明基于参数区域控制的高通量化学气相渗透工艺的装置，采用cvi沉积炉，cvi沉积炉的内腔依次由预混区、反应室和气体冷却区连通组合而成，反应室作为沉积区域，采用加热体对反应室的温度进行控制，cvi沉积炉还设有气体入口和气体出口，化学气相渗透的各气体组分通过气体出口进入预混区进行气体混合，利用折叠碳纸将cvi沉积炉的反应室划分为具有不同比表面积的沉积区域，沉积基体进入反应室的对应沉积区域进行化学气相渗透反应，实现沉积基体的表层均匀致密化，控制cvi沉积炉的不同沉积区域的沉积参数，在设定的沉积温度、沉积压力、气体总流量和混合气体组分比中的任意几种沉积参数下，通过cvi沉积炉的沉积区域划分，在cvi沉积炉中的不同的沉积区间会具有不同的气体滞留时间，从而实现滞留时间的沉积参数区域化控制，在cvi沉积炉的不同沉积区间的滞留时间范围内进行高通量的沉积实验，然后选取沉积特性和致密化特性优化的沉积参数和沉积区域，结合沉积基体，通过对cvi沉积炉的对应参数区域控制，采用化学气相渗透工艺，最终实现沉积基体的表层均匀致密化，从cvi沉积炉中取出得到所需的复合材料构件。

作为本发明优选的技术方案，cvi沉积炉的内腔依次由预混区、反应室和气体冷却区直线式排列并连通组合而成，在cvi沉积炉的炉壁本体上还设有移动密封区，长条型的大尺寸沉积基体能从cvi沉积炉的炉壁进入预混区，再依次经过反应室和气体冷却区，从移动密封区穿过，从而将沉积基体连续制备成大尺寸复合材料构件。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明通过一定范围内的参数区域调控，实现多组参数体系的高通量复合材料的制备；

2.本发明制备复合材料的工艺参数易于调控，并有利于表征多组参数体系的复合材料微观结构和力学性能，实现沉积参数的快速优化；

3.本发明能有效确定最优沉积参数，并结合预制体区域移动实现大尺寸复合材料的快速均匀致密化。

附图说明

图1为本发明实施例一和实施例二的参数区域控制的高通量冷壁cvi的装置示意图。

图2为沿着图1中a-a向的剖面图。

图3为本发明实施例三基于最优沉积参数制备大尺寸复合材料构件的预制体区域移动示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，一种基于参数区域控制的高通量化学气相渗透工艺，包括如下步骤：

1.沉积参数区域化

采用冷壁cvi沉积炉，利用碳纸将沉积区域划分为不同的沉积区间，实现不同区间的比表面积(sv)和滞留时间(τ)不同，分别改变沉积温度、沉积压力、总流量、前驱气体组分比，可以制备出不同参数体系的高通量复合材料并有利于进一步快速优化沉积参数。

2.样品表征及参数优化选取

通过对沉积区进行区域划分制备出不同参数下的高通量复合材料，将不同沉积区域内的样品进行沉积增量的测量和切片表征，以获得不同沉积区的沉积速率和微观结构等信息。总结不同沉积区域的沉积特性，找出沉积速率较高且微观结构和力学性能较好的复合材料沉积参数，用于制备复合材料构件。

在本实施例中，参见图1和图2，一种基于参数区域控制的高通量化学气相渗透工艺的装置，采用cvi沉积炉3，cvi沉积炉3的内腔依次由预混区t1、反应室t2和气体冷却区t3连通组合而成，反应室t2作为沉积区域，采用加热体4对反应室t2的温度进行控制，cvi沉积炉3还设有气体入口2和气体出口1，化学气相渗透的各气体组分通过气体出口1进入预混区t1进行气体混合，利用折叠碳纸5将cvi沉积炉的反应室t2划分为具有不同比表面积的沉积区域，沉积基体6进入反应室t2的对应沉积区域进行化学气相渗透反应，实现沉积基体6的表层均匀致密化，控制cvi沉积3炉的不同沉积区域的沉积参数，在设定的沉积温度、沉积压力、气体总流量和混合气体组分比的几种沉积参数下，通过cvi沉积炉3的沉积区域划分，在cvi沉积炉3中的不同的沉积区间会具有不同的气体滞留时间，从而实现滞留时间的沉积参数区域化控制，在cvi沉积炉的不同沉积区间的滞留时间范围内进行高通量的沉积实验，然后选取沉积特性和致密化特性优化的沉积参数和沉积区域，结合沉积基体6，通过对cvi沉积炉3的对应参数区域控制，采用化学气相渗透工艺，最终实现沉积基体6的表层均匀致密化，从cvi沉积炉3中取出得到所需的复合材料构件。

本实施例基于参数区域控制的高通量化学气相渗透工艺，具体步骤如下：

a.将折叠碳纸放置于cvi沉积炉3的沉积区域，采用碳纸5，通过改变碳纸5的折叠程度将沉积区划分为设定比表面积sv∈[103,105]m^-1的不同区间，再将物理性能参数相同的一系列碳化硅纤维预制体作为沉积基体6分分别置于各沉积区间内，进行装炉，装炉后抽真空并检查系统气密性；

b.确定系统气密性达到要求后，通入高纯氮气至系统压力为80kpa，升温至沉积温度650℃，达到沉积温度后，维持系统压力为7kpa，依次通入氮气(n2)、氢气(h2)、氨气(nh3)和三氯化硼(bcl3)，并在预混区t1混合后进入反应室t2进行化学气相渗透反应，最终在cvi沉积炉3的不同沉积区间的滞留时间τ∈[0.5,4]s范围内进行高通量bn沉积实验；

c.通过步骤b的沉积参数区域化控制，能实现一次性高通量制备具有不同参数体系的一系列复合材料，通过对沉积区间内的折叠碳纸和沉积基体样品进行沉积增量的测量和切片表征，以获得cvi沉积炉3中的从气体入口2到气体出口1之间生成的bn涂层的沿程沉积特性及纤维预制体的致密化特性，然后基于实验得到的bn沉积速率与微观结构信息进行计算，分析其与τ和sv的关系，找到最有利于bn沉积的τ和sv，以及沉积特性和致密化特性较好的区域，获得不同沉积区的沉积速率、沉积层的微观结构和力学性能参数，通过分别调整沉积温度、沉积压力、气体总流量和混合气体组分比的几种沉积参数，对一系列bn沉积参数进行优化选取，从而实现对应各沉积区间的滞留时间和比表面积的参数优化；

d.经过步骤c进行bn高通量沉积及参数优化后，选取沉积特性和致密化特性优化的沉积参数和沉积区域，结合不同碳化硅纤维预制体，通过一次制备工艺安排达到不同区域的多滞留时间、多比表面积的工艺参数下，通过参数区域控制，采用区域控制的化学气相渗透工艺，进行同一批次制备具有不同的沉积速率、微观结构以及物理化学性能的一系列复合材料构件，最终实现高通量cvi工艺，并批量化制备复合材料构件的快速均匀致密化，得到所需的复合材料构件。

本实施例利用折叠碳纸5将沉积区域划分为具有不同比表面积的沉积区间，并在给定沉积温度、沉积压力和气体流量下，将相同类型尺寸的纤维预制体置于各沉积区间，实现滞留时间的区域化控制，即可通过单次实验制备出不同参数体系的高通量复合材料。对沉积区间内的碳纸和纤维预制体的沉积速率和微观结构等进行测试表征，快速高效地实现滞留时间和比表面积的参数优化，找出沉积特性较好且致密化特性较优的沉积参数和沉积区域。其后期可通过分别调整沉积温度、沉积压力等对一系列工艺参数进行优化选取。此外，本实施例利用优化后的沉积参数和沉积区域，结合纤维预制体的区域移动，最终实现复合材料构件的快速均匀致密化，从而为高通量复合材料cvi工艺设计和参数优化以及复合材料快速均匀致密化提供一种可能。

本实施例基于参数区域控制的高通量化学气相渗透工艺具有连续性，参数易于控制，能通过一次实验安排达到多滞留时间、多比表面积等工艺参数下沉积速率、微观结构以及性能的表征，实现高通量cvi工艺设计，可大大缩短cvi沉积参数择优选取的周期和成本，并有利于制备复合材料构件。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

参见图1和图2，本实施例基于参数区域控制的高通量化学气相渗透工艺，具体步骤如下：

a.将折叠碳纸放置于cvi沉积炉3的沉积区域，采用碳纸5，通过改变碳纸5的折叠程度将沉积区划分为设定比表面积sv∈[103,105]m^-1的不同区间，再将物理性能参数相同的一系列碳化硅纤维预制体作为沉积基体6分分别置于各沉积区间内，进行装炉，装炉后抽真空并检查系统气密性；

b.确定系统气密性达到要求后，通入高纯氮气至系统压力为80kpa，升温至沉积温度1000℃，达到沉积温度后，维持系统压力为10kpa，依次通入依次通入稀释气氮气、载气氢气和前驱气体三氯甲基硅烷(mts)，并在预混区t1混合后进入反应室t2进行化学气相渗透反应，最终在cvi沉积炉3的不同沉积区间的滞留时间τ∈[0.5,4]s范围内进行高通量sic沉积实验；

c.通过步骤b的沉积参数区域化控制，能实现一次性高通量制备具有不同参数体系的一系列复合材料，通过对沉积区间内的折叠碳纸和沉积基体样品进行沉积增量的测量和切片表征，以获得cvi沉积炉3中的从气体入口2到气体出口1之间生成的sic涂层的沿程沉积特性及纤维预制体的致密化特性，然后基于实验得到的sic沉积速率与微观结构信息进行计算，分析其与τ和sv的关系，找到最有利于sic沉积的τ和sv，以及沉积特性和致密化特性较好的区域，获得不同沉积区的沉积速率、沉积层的微观结构和力学性能参数，通过分别调整沉积温度、沉积压力、气体总流量和混合气体组分比的几种沉积参数，对一系列sic沉积参数进行优化选取，从而实现对应各沉积区间的滞留时间和比表面积的参数优化；

d.经过步骤c进行sic高通量沉积及参数优化后，选取沉积特性和致密化特性优化的沉积参数和沉积区域，结合不同碳化硅纤维预制体，通过一次制备工艺安排达到不同区域的多滞留时间、多比表面积的工艺参数下，通过参数区域控制，采用区域控制的化学气相渗透工艺，进行同一批次制备具有不同的沉积速率、微观结构以及物理化学性能的一系列复合材料构件，最终实现高通量cvi工艺，并批量化制备复合材料构件的快速均匀致密化，得到所需的复合材料构件。

实施例三：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，基于bn、sic最优沉积参数结合预制体区域移动制备大尺寸sic/bn/sic复合材料构件，参见图3，本实施例采用的cvi沉积炉3的内腔依次由预混区t1、反应室t2和气体冷却区t3直线式排列并连通组合而成，在cvi沉积炉3的炉壁本体上还设有移动密封区7，长条型的大尺寸沉积基体6能从cvi沉积炉3的炉壁进入预混区t1，再依次经过反应室t2和气体冷却区t3，从移动密封区7穿过，从而将沉积基体6连续制备成大尺寸复合材料构件。本实施例用于大尺寸复合材料构件的快速均匀致密化，沉积基体为大尺寸预制体，经过沉积参数优化后，选取沉积特性和致密化特性优化的沉积参数和沉积区域，结合大尺寸预制体的区域移动，通过参数区域控制，采用化学气相渗透工艺，最终实现大尺寸复合材料构件的快速均匀致密化。本实施例基于参数区域控制的高通量化学气相渗透工艺具有连续性，参数易于控制，能通过一次实验安排达到多滞留时间、多比表面积等工艺参数下沉积速率、微观结构以及性能的表征，实现高通量cvi工艺设计，可大大缩短cvi沉积参数择优选取的周期和成本，并有利于制备大尺寸复合材料构件。

参见图3，本实施例基于参数区域控制的高通量化学气相渗透工艺，具体步骤如下：

第一步：将大尺寸的碳化硅纤维盘条预制体作为沉积基体6，置于沉积区，装炉后抽真空并检查系统气密性；

第二步：利用实施例一中优化后的bn沉积参数，在大尺寸纤维预制体内沉积bn界面层，实现界面层在纤维预制体内的快速均匀沉积，升温后通入bn前驱体气体，将大尺寸预制体前端置于bn沉积特性和致密化特性较好的区域沉积设定时间后，沿沉积炉轴向单方向移动预制体至另一位置继续沉积相应时间，直至整个预制体从头到尾连续沉积结束；

第三步：利用实施例二中优化后的sic沉积参数，在大尺寸预制体内沉积sic基体，实现纤维预制体的快速均匀致密化，升温后通入sic前驱体气体，在沉积特性和致密化特性较好的区域将沉积有bn界面层的预制体沿沉积炉轴向从头到尾逐渐移动沉积sic基体，最终获得大尺寸的sic/bn/sic复合材料。

本实施例利用优化后的沉积参数和沉积区域，结合大尺寸纤维预制体的区域移动，最终实现大尺寸复合材料构件的快速均匀致密化，从而为高通量复合材料cvi工艺设计和参数优化以及大尺寸复合材料快速均匀致密化提供一种可能。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明基于参数区域控制的高通量化学气相渗透工艺、应用及装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。