化学蒸気浸透

化学気相浸透（CVI）は、反応性ガスを用いて高温で繊維プリフォームにマトリックス材料を浸透させて繊維強化複合材料を形成するセラミックエンジニアリングプロセスです。^[1] CVIの最も初期の使用は、繊維状アルミナに炭化クロムを浸透させることでした。^{[2] CVIは、}炭素-炭素複合材料やセラミックマトリックス複合材料の製造に適用できます。同様の技術に化学気相成長（CVD）がありますが、主な違いは、CVDの堆積は高温のバルク表面で行われるのに対し、CVIの堆積は多孔質基板で行われることです。

プロセス

化学蒸気浸透法では、繊維質のプリフォームが多孔質金属板上に支持され、その板にキャリアガスとマトリックス材料の混合物が高温で通される。プリフォームは糸や織物で作ることもできるし、フィラメント巻きや編み込みの三次元形状にすることもできる。^[4] 浸透は、ガスと残留マトリックス材料が化学的に処理される排水処理プラントに接続された反応器で行われる。従来の等温等圧CVIでは誘導加熱が使用される。

プロセスの典型的なデモンストレーションを図 1 に示します。ここでは、ガスとマトリックス材料がリアクターの底部の供給システムからリアクターに入ります。繊維プリフォームは高温でマトリックス材料と化学反応を起こし、マトリックス材料が繊維またはプリフォームの隙間に浸透します。

CVIの成長メカニズムを図2に示します。ここでは、繊維表面とマトリックス材料との反応が起こると、繊維の直径が減少すると同時に、繊維表面にマトリックスのコーティングが形成されます。未反応の反応物はガスとともに出口システムを介して反応器から排出され、排水処理プラントに送られます。^[5]

修正CVI

「ホットウォール」技術（等温等圧 CVI）は、今でも広く使用されています。ただし、処理時間は通常非常に長く、堆積速度は遅いため、より迅速な浸透技術を開発するための新しい方法が発明されました。強制流による温度勾配 CVI - このプロセスでは、ガスとマトリックス材料の強制流を使用して、多孔性が低く、密度がより均一な材料を実現します。ここで、ガス混合物はマトリックス材料とともに加圧流でプリフォームまたは繊維材料を通過します。このプロセスは、水冷ゾーンの 1050 °C から炉ゾーンの 1200 °C までの温度勾配で実行されます。図 3 は、一般的な強制流 CVI (FCVI) の図式表現を示しています。

プロセスパラメータによるセラミックマトリックス複合材料の種類

表1：CMCのさまざまなプロセスの例^[6]

例

製造において CVI プロセスが使用される例をいくつか示します。

炭素/炭素複合材料 (C/C) 以前の研究に基づき、PANベースの炭素フェルトをプリフォームとして選択し、灯油を前駆体として選択しました。プリフォームへのマトリックスの浸透は、FCVIによって大気圧で数時間、1050℃で行われます。プリフォームの上部表面の温度は、内側が1050℃、中間が1080℃、外側が1020℃に保たれる必要があります。安全のため、窒素ガスが反応器内を流れます。^[7]

シリコンカーバイド / シリコンカーバイド (SiC/SiC)

マトリックス：CH ₃ SiCl ₃ (g) → SiC(s)+ 3 HCl(g)

界面: CH ₄ (g) → C(s)+ 2H ₂ (g)

SiC繊維はプリフォームとして機能し、真空中で約1000℃まで加熱され、その後CH4_ガスが繊維とマトリックスの間の中間層としてプリフォームに導入されます。このプロセスは加圧下で70分間続きます。次に、メチルトリクロロシランが水素によってチャンバー内に運ばれます。プリフォームは加圧下で1000℃で数時間SiCマトリックス内にあります。^[8]

CVIの利点

浸透温度が低いため、残留応力が低くなります。大きく複雑な形状を製造できます。この方法で製造された複合材料は、機械的特性、耐腐食性、耐熱衝撃性が向上しています。さまざまなマトリックスと繊維の組み合わせを使用して、さまざまな複合材料特性を生成できます。（SiC、C、Si ₃ N ₄、BN、B ₄ C、ZrCなど）。浸透温度と圧力が低いため、繊維やプリフォームの形状への損傷はほとんどありません。^[3]このプロセスにより、繊維とマトリックスの選択にかなりの柔軟性が得られます。ガスの純度を注意深く制御することで、非常に純粋で均一なマトリックスを得ることができます。

デメリット

残留多孔度は約10～15％と高く、生産率が低く、設備投資、生産、加工コストが高い。^[3]

アプリケーション

CVI は、さまざまな高性能コンポーネントの構築に使用されます。

宇宙船用熱シールドシステム^[9]
燃焼室、タービンブレード、ステータベーン、ディスクブレーキなどの高温システムは、極端な熱衝撃を受ける。^[10]
バーナー、高温バルブ、ガスダクトの場合、CMCの酸化物が使用される。耐腐食性と耐摩耗性を提供するためのスライドベアリングのコンポーネント。^[11]

参考文献

^ Petrak, DR (2001). 「セラミックマトリックス」、複合材料、第21巻、ASMハンドブック。ASMインターナショナル。pp. 160–163。
^ Bang, Kyung-Hoon; Gui-Yung Chung; Hyung-Hoi Koo (2011). 「プロパン熱分解の化学蒸気浸透 (CVI) による C/C 複合材料の製造」. Korean Journal of Chemical Engineering . 28:1 : 272–278. doi :10.1007/s11814-010-0352-y. S2CID 55540743.
^ abcde Singh, Dr. Inderdeep. 「Mod-06 Lec-04 Chemical Vapour Infiltrate」。NPTEL YouTubeチャンネル。国立技術強化学習プログラム。2021年12月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年1月21日閲覧。
^ バラスブラマニアン、M.複合材料と加工。pp.417–412。
^ グアン、カン;ライフェイ・チェン;ゼン・チンフェン;ホイ・リー;劉善華。李建平;張理通（2013）。「化学蒸気浸透の透過性の予測」。アメリカセラミック協会のジャーナル。96 (8): 2445–2453。土井：10.1111/jace.12456。
^ Naslain, R (1992年10月19日). 「等圧等温化学蒸気浸透ガス相ルートに従って処理された2次元SiC/SiC複合材料」。Journal of Alloys and Compounds。188 : 42–48。doi : 10.1016/0925-8388(92)90641-l。
^ Wang, JP; Qian, JM; Qiao, GJ; Jin, ZH (2006). 「大型 C/C 複合材の製造における膜沸騰化学蒸気浸透プロセスの改良」. Materials Letters . 60:9 (9–10): 1269–1272. doi :10.1016/j.matlet.2005.11.012.
^ Yang, W; Araki H; Kohyama A; Thaveethavorn S; Suzuki H; Noda T (2004). 「化学気相浸透法によるSiCナノワイヤ/SiCマトリックス複合材料のin-situ製造」。Materials Letters . 58:25 (25): 3145–3148. doi :10.1016/j.matlet.2004.05.059 . 2014年1月22日閲覧。
^ Pfeiffer, H.; Peetz, K. (2002 年 10 月)。X -38 の宇宙飛行に適格なオールセラミックボディフラップ。第 53 回国際宇宙会議世界宇宙会議 – 2002、テキサス州ヒューストン。巻。IAF-02-I.6.b.01。書誌コード:2002iaf..confE.485P。
^ Krenkel, W (2008).摩擦用途向け CMC、セラミックマトリックス複合材。Wiley-VCH。p. 396。ISBN 978-3-527-31361-7。
^ Pfeiffer, H (2001 年 3 月)。X -38 および CRV 用セラミックボディフラップ。第 2 回大気圏再突入機およびシステムに関する国際シンポジウム、アルカション、フランス。

外部リンク

複合材料センター
世界陶芸アカデミー

[petrak-1] Petrak, DR (2001). 「セラミックマトリックス」、複合材料、第21巻、ASMハンドブック。ASMインターナショナル。pp. 160–163。

[Bang-2] Bang, Kyung-Hoon; Gui-Yung Chung; Hyung-Hoi Koo (2011). 「プロパン熱分解の化学蒸気浸透 (CVI) による C/C 複合材料の製造」. Korean Journal of Chemical Engineering . 28:1 : 272–278. doi :10.1007/s11814-010-0352-y. S2CID 55540743.

[singh-3] Singh, Dr. Inderdeep. 「Mod-06 Lec-04 Chemical Vapour Infiltrate」。NPTEL YouTubeチャンネル。国立技術強化学習プログラム。2021年12月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年1月21日閲覧。

[bala-4] バラスブラマニアン、M.複合材料と加工。pp.417–412。

[guan-5] グアン、カン;ライフェイ・チェン;ゼン・チンフェン;ホイ・リー;劉善華。李建平;張理通（2013）。「化学蒸気浸透の透過性の予測」。アメリカセラミック協会のジャーナル。96 (8): 2445–2453。土井：10.1111/jace.12456。

[naslain-6] ^ Naslain, R (1992年10月19日). 「等圧等温化学蒸気浸透ガス相ルートに従って処理された2次元SiC/SiC複合材料」。Journal of Alloys and Compounds。188 : 42–48。doi : 10.1016/0925-8388(92)90641-l。

[wang-7] Wang, JP; Qian, JM; Qiao, GJ; Jin, ZH (2006). 「大型 C/C 複合材の製造における膜沸騰化学蒸気浸透プロセスの改良」. Materials Letters . 60:9 (9–10): 1269–1272. doi :10.1016/j.matlet.2005.11.012.

[yang-8] Yang, W; Araki H; Kohyama A; Thaveethavorn S; Suzuki H; Noda T (2004). 「化学気相浸透法によるSiCナノワイヤ/SiCマトリックス複合材料のin-situ製造」。Materials Letters . 58:25 (25): 3145–3148. doi :10.1016/j.matlet.2004.05.059 . 2014年1月22日閲覧。

[9] Pfeiffer, H.; Peetz, K. (2002 年 10 月)。X -38 の宇宙飛行に適格なオールセラミックボディフラップ。第 53 回国際宇宙会議世界宇宙会議 – 2002、テキサス州ヒューストン。巻。IAF-02-I.6.b.01。書誌コード:2002iaf..confE.485P。

[krenkel-10] Krenkel, W (2008).摩擦用途向け CMC、セラミックマトリックス複合材。Wiley-VCH。p. 396。ISBN 978-3-527-31361-7。

[11] Pfeiffer, H (2001 年 3 月)。X -38 および CRV 用セラミックボディフラップ。第 2 回大気圏再突入機およびシステムに関する国際シンポジウム、アルカション、フランス。