La infiltración química de vapor ( CVI ) es un proceso de ingeniería cerámica mediante el cual el material de la matriz se infiltra en preformas fibrosas mediante el uso de gases reactivos a temperatura elevada para formar compuestos reforzados con fibra . [1] El primer uso de CVI fue la infiltración de alúmina fibrosa con carburo de cromo . [2] La CVI se puede aplicar a la producción de compuestos carbono-carbono y compuestos de matriz cerámica. Una técnica similar es la deposición química de vapor (CVD), la principal diferencia es que la deposición de CVD se realiza sobre superficies a granel calientes, mientras que la deposición de CVI se realiza sobre sustratos porosos.
Durante la infiltración de vapor químico, la preforma fibrosa se apoya sobre una placa metálica porosa a través de la cual pasa una mezcla de gas portador junto con material de matriz a una temperatura elevada. Las preformas pueden estar hechas con hilos o telas tejidas o pueden ser formas tridimensionales de filamentos enrollados o trenzados. [4] La infiltración tiene lugar en un reactor que está conectado a una planta de tratamiento de efluentes donde los gases y el material de matriz residual se tratan químicamente. El calentamiento por inducción se utiliza en un CVI isotérmico e isobárico convencional .
En la figura 1 se muestra un ejemplo típico del proceso. En este caso, los gases y el material de matriz entran en el reactor desde el sistema de alimentación situado en la parte inferior del reactor. La preforma fibrosa experimenta una reacción química a alta temperatura con el material de matriz y, por tanto, este último se infiltra en las hendiduras de la fibra o de la preforma.
El mecanismo de crecimiento del CVI se muestra en la Figura 2. Aquí, a medida que se produce la reacción entre la superficie de la fibra y el material de la matriz, se forma una capa de matriz sobre la superficie de la fibra mientras que el diámetro de la fibra disminuye. Los reactivos que no reaccionaron junto con los gases salen del reactor a través del sistema de salida y se transfieren a una planta de tratamiento de efluentes. [5]
La técnica de "pared caliente" (CVI isotérmica e isobárica) todavía se utiliza ampliamente. Sin embargo, el tiempo de procesamiento suele ser muy largo y la velocidad de deposición es lenta, por lo que se han inventado nuevas rutas para desarrollar técnicas de infiltración más rápidas: CVI de gradiente térmico con flujo forzado: en este proceso, se utiliza un flujo forzado de gases y material de matriz para lograr un material menos poroso y más uniformemente denso. Aquí, la mezcla gaseosa junto con el material de matriz pasa a través de la preforma o material fibroso en un flujo presurizado. Este proceso se lleva a cabo con un gradiente de temperatura de 1050 °C en la zona enfriada por agua a 1200 °C en la zona del horno. La Figura 3 muestra la representación esquemática de un CVI de flujo forzado (FCVI) típico.
Tabla 1: Ejemplos de diferentes procesos de CMC. [6]
Algunos ejemplos donde se utiliza el proceso CVI en la fabricación son:
Compuestos de carbono/carbono (C/C) Según un estudio previo, se elige un fieltro de carbono a base de PAN como preforma, mientras que se elige queroseno como precursor. La infiltración de la matriz en la preforma se realiza a 1050 °C durante varias horas a presión atmosférica mediante el FCVI. La temperatura de la superficie interior de la preforma superior debe mantenerse a 1050 °C, la del medio a 1080 °C y la del exterior a 1020 °C. El gas nitrógeno fluye a través del reactor por seguridad. [7]
Carburo de silicio / Carburo de silicio (SiC/SiC)
Matriz: CH 3 SiCl 3 (g) → SiC (s) + 3 HCl (g)
Interfase: CH 4 (g) → C(s)+ 2H 2 (g)
Las fibras de SiC sirven como preforma que se calienta hasta aproximadamente 1000 °C en vacío y luego se introduce gas CH4 en la preforma como capa intermedia entre la fibra y la matriz. Este proceso dura 70 minutos bajo presión. A continuación, el metiltriclorosilano es transportado por hidrógeno a la cámara. La preforma permanece en la matriz de SiC durante horas a 1000 °C bajo presión. [8]
Las tensiones residuales son menores debido a la menor temperatura de infiltración. Se pueden producir formas complejas de gran tamaño. El compuesto preparado mediante este método tiene propiedades mecánicas mejoradas, resistencia a la corrosión y resistencia al choque térmico. Se pueden utilizar varias matrices y combinaciones de fibras para producir diferentes propiedades del compuesto (SiC, C, Si3N4 , BN , B4C , ZrC, etc.). Hay muy pocos daños a las fibras y a la geometría de la preforma debido a la baja temperatura y presiones de infiltración. [ 3] Este proceso proporciona una flexibilidad considerable en la selección de fibras y matrices. Se puede obtener una matriz muy pura y uniforme controlando cuidadosamente la pureza de los gases.
La porosidad residual es de alrededor del 10 al 15%, lo cual es alto; la tasa de producción es baja; los costos de inversión de capital, producción y procesamiento son altos. [3]
CVI se utiliza para construir una variedad de componentes de alto rendimiento: