化学气相渗透工艺参数对热解碳微观结构行为的调控机制及石墨化性能优化研究

本研究针对化学气相渗透(CVI)制备碳/碳(C/C)复合材料过程中热解碳(PyC)微观结构调控难题，通过Taguchi正交实验系统考察了温度(1100-1150°C)、压力(20-100mbar)、甲烷(0.2-1SLPM)和氮气(0.2-1SLPM)流量等关键参数对PyC结晶度(d002间距)、石墨化性能(ID/IG比)的影响规律。研究发现低温(1100°C)、低压(20mbar)、高甲烷流量(1SLPM)和低氮气流量(0.2SLPM)条件下可获得高取向、易石墨化的PyC沉积层，经2200°C石墨化处理后结晶尺寸(Lc)提升13倍，为航空航天用高性能C/C复合材料制备提供了工艺优化依据。

　　

在航空航天领域，碳/碳(C/C)复合材料因其卓越的高温性能成为热结构部件的首选材料，其核心制造工艺——化学气相渗透(CVI)技术直接决定着材料性能。然而该工艺存在两大瓶颈：一是沉积速率慢导致生产周期长，二是工艺参数对热解碳(PyC)微观结构的显著影响尚未明确量化。现有研究多聚焦单一参数，缺乏对温度、压力、气体流量等多参数协同作用的系统研究，特别是工业常用甲烷-氮气体系下的沉积机理研究不足，制约着高性能C/C复合材料的产品一致性。

针对这一难题，国内研究人员在《Carbon Trends》发表的研究工作中，采用Taguchi L9正交实验设计，结合X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和扫描电镜(SEM)等表征手段，系统研究了CVI工艺参数对PyC微观结构的影响机制。研究选取Zoltek PANEX? SW08碳纤维预制体，在实验室规模CVI反应器中开展19组实验，重点分析了温度(1100-1150°C)、压力(20-100mbar)、甲烷(0.2-1SLPM)和氮气(0.2-1SLPM)流量对PyC结晶特性的影响，并通过2200°C石墨化处理评估了沉积参数与材料石墨化性能的关联性。

3.1 工艺参数影响的Taguchi分析
通过d₀₀₂峰半高宽(FWHM)分析发现，低温(1100°C)条件下PyC的FWHM值降低23%，表明结晶有序度提升。拉曼光谱显示ID/IG比在1100°C时最低(0.6)，证实低温有利于减少结构缺陷。特别值得注意的是，低压(20mbar)环境使PyC结晶尺寸(L_c)从6.2nm增至88.2nm，增幅达1323%，揭示低压条件能显著促进碳原子有序排列。

3.2 石墨化工艺的影响
石墨化处理后，所有样品的d₀₀₂间距从0.34nm缩小至0.33nm，接近理想石墨晶体层间距(0.335nm)。拉曼G带FWHM从平均90cm^-1降至45cm^-1，降幅达50%，证实高温处理有效消除了结构紊乱。其中在最优参数(1100°C/20mbar/1SLPM CH₄/0.2SLPM N₂)下制备的样品，其ID/IG比降幅最大(65.45%)，展现出最佳石墨化潜力。

3.3 参数影响的机理讨论
低温(1100°C)通过减缓甲烷分解动力学，使碳原子得以有序排列；低压(20mbar)抑制气相成核，避免炭黑生成；高甲烷流量(1SLPM)增加活性碳源浓度；而低氮气流量(0.2SLPM)维持5:1的最佳CH₄:N₂摩尔比，确保前驱体有效输运。ANOVA分析证实这四个参数的显著性排序为：温度>甲烷流量>压力>氮气流量。

该研究不仅建立了CVI工艺参数与PyC微观结构的定量关系，更创新性地提出了适用于工业放大的无量纲参数体系，包括雷诺数(Re=12.12)和佩克莱特数(Pe=1.53)等关键指标。研究指出，在放大生产中应保持气体特征速度0.883m/s不变，这对实现不同规模反应器中的PyC沉积均匀性具有重要指导价值。这些发现为航空航天用高性能C/C复合材料的生产工艺优化提供了理论依据，对提升我国战略材料制备水平具有重要意义。