真空辅助浸渍工艺对于超高温陶瓷基复合材料（UHTCMCs）至关重要，因为它能主动将陶瓷材料推入复合材料结构的深层。通过排出纤维织物中的空气，负压将二硼化锆（ZrB2）浆料吸入微观孔隙，确保了标准涂层方法无法实现的密度和均匀性。
高性能复合材料需要在纤维束内最小化薄弱点。真空浸渍最大化了陶瓷粉末的负载量，并最小化了残留金属，这直接转化为在极端热应力下卓越的结构完整性。
真空浸渍的力学原理
消除空气屏障
在标准浸渍过程中，纤维织物中捕获的气穴会形成屏障。这会阻止陶瓷浆料完全渗透材料。
真空工艺会去除这些空气，从而产生一个需要填充的空隙。这确保了基体材料不仅仅是涂覆表面，而是与纤维结构融为一体。
驱动深层孔隙渗透
一旦空气被排出，就会利用负压差。这种物理力将精细研磨的二硼化锆（ZrB2）浆料深层推入纤维的微观孔隙中。
这种能力对于处理复杂的纤维束至关重要，因为被动浸渍或刷涂会使核心区域干燥且脆弱。
对材料成分的影响
最大化粉末负载
此阶段的主要目标是增加纤维束内的陶瓷粉末负载量。高粉末负载量为复合材料创造了一个致密、坚固的框架。
如果没有真空辅助，陶瓷基体的密度将不足以满足超高温应用的要求。
减少残留金属相
该工艺是反应熔渗（RMI）的前驱步骤。通过在早期阶段用ZrB2粉末紧密填充预制体，在后续的RMI阶段，多余金属的可用体积就会减少。
减少残留金属相至关重要，因为过量的金属会降低复合材料的熔点并损害其在极端高温下的性能。
避免常见陷阱
浸渍不完全的风险
跳过真空步骤或施加的负压不足会导致纤维束内部出现“干点”。
这些空隙会成为结构上的薄弱点。在超音速环境的应力下，这些内部缺陷可能导致灾难性故障，如分层或开裂。
损害耐高温性
如果预制体由于粉末负载不足而含有过多的残留金属，材料将无法满足使用环境的要求。
正如高温测试规程所示，这些材料必须能够承受超过900°C的温度。在这种条件下，受损的内部结构会迅速氧化或变形。
为您的目标做出正确选择
为确保您的UHTCMC组件能够承受超音速条件，预制体阶段必须优先考虑密度和纯度。
- 如果您的主要关注点是热稳定性：优先考虑真空浸渍以最大化ZrB2负载量，从而最大限度地减少低熔点残留金属。
- 如果您的主要关注点是机械强度：确保真空工艺实现深层孔隙渗透，以消除充当应力集中点的内部空隙。
陶瓷复合材料的寿命取决于其初始浸渍的质量。
总结表：
| 特性 | 标准浸渍 | 真空辅助浸渍 |
|---|---|---|
| 空气去除 | 残留的空气袋 | 完全排出纤维空隙 |
| 浆料渗透 | 表面涂层 | 深层渗透到微观孔隙中 |
| 粉末负载 | 密度较低/不一致 | 最大化ZrB2负载量以实现高密度 |
| 残留金属 | 高（导致熔点降低） | 最小（提高热稳定性） |
| 结构目标 | 基本粘合 | 消除内部应力集中点 |
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参考文献
- Luis Baier, Vito Leisner. Development of ultra-high temperature ceramic matrix composites for hypersonic applications via reactive melt infiltration and mechanical testing under high temperature. DOI: 10.1007/s12567-024-00562-y
本文还参考了以下技术资料 Kintek Furnace 知识库 .
