Chemical vapor infiltration (CVI) of carbon brake disks: impact of operating conditions on the densification process

The Chemical Vapor Infiltration (CVI) process is one of the widespread techniques in the industry to produce carbon-carbon composites (C/C), especially for disks and pads brakes. The process starts from initial porous preforms stacked in a reactor where, from the bottom, it is fed a gas precursor, typically composed of methane. The products due to the pyrolysis reaction of the precursor can go further in the homogeneous reactions or diffuse inside the porous substrate, where heterogeneous reactions occur. This last contribution is responsible for the deposition of gaseous light species on the preform, increasing its density. The process is stopped when the density is around 1700-2000 kg/m3. The system comprises two main phenomena: the gaseous fluid dynamic with the pyrolysis reactions and the diffusion with deposition of the pyrolysis products inside the preform. The time scales of the two phenomena are very different, opening the possibility to decouple them. The present master thesis is part of a collaboration between Politecnico di Milano and Brembo S.p.A., a world leader company in braking systems. The work aims to explore the impact of the operating conditions on the CVI process, which is conducted at high temperatures and low pressures. The CVI process can be performed in rapid or standard conditions, the latter case uses more mitigated operative conditions. The analysis is conducted for standard and rapid CVI with two geometries with an increase in complexity: lab-scale and mono-disk reactor. The variables investigated are temperature, pressure, and residence time. Temperature is the most important parameter influencing standard and rapid CVI: higher values increase the deposition giving a lower final bulk density. The influence of pressure is more marked in the standard conditions due to more mitigated operative conditions. The pressure increase in rapid conditions gives a rate increase in the first hours, then the same bulk density is reached. Residence time has an impact only on the concentration of the pyrolysis products on the gaseous exit stream, but it does not affect in a significant way the preform densification.

La Chemical Vapor Infiltration (CVI) è una delle tecniche più diffuse nelle industrie per produrre i compositi carbonio-carbonio (C/C), soprattutto per dischi e pastiglie per i freni. Il processo inizia da preforme porose impilate in un reattore dove viene alimentato dal basso un precursore gassoso, tipicamente composto prevalentemente da metano. I prodotti della pirolisi del precursore gassoso possono dar luogo ad altre reazioni omogenee oppure possono diffondere all’interno del substrato poroso, dove avvengono le reazioni eterogenee. Quest’ultimo contributo è responsabile della deposizione di specie leggere gassose sulla preforma aumentandone la densità. Il processo giunge al termine quando la preforma ha una densità tra i 1700 e i 2000 kg/m3. Il sistema comprende due fenomeni principali: la fluidodinamica delle specie gassose che danno luogo alle reazioni di pirolisi e la diffusione con conseguente deposizione dei prodotti della reazione all’interno della preforma. I due fenomeni possono essere disaccoppiati grazie alle scale temporali molto diverse che li caratterizzano. Questo manoscritto fa parte di una collaborazione tra il Politecnico di Milano e Brembo S.p.A, azienda leader mondiale nei sistemi frenanti. Il lavoro mira ad esplorare l’impatto delle condizioni operative sul processo CVI, condotto ad alte temperature e basse pressioni. La CVI può essere eseguita in condizioni dette rapid o standard, in quest’ultimo caso si utilizzano condizioni più mitigate. L’analisi di sensitività è stata condotta per i casi rapid e standard utilizzando due geometrie caratterizzate da complessità crescenti: lab-scale e mono-disk. Le variabili studiate sono temperatura, pressione e tempo di residenza. La temperatura risulta il parametro che più influenza il processo in condizioni sia rapid sia standard: valori più elevati aumentano la deposizione conferendo una densità di bulk finale inferiore. L’influenza della pressione è più accentuata nelle condizioni standard per via delle condizioni operative più mitigate. L’aumento di pressione nelle condizioni rapid favorisce un aumento della velocità di reazione nelle prime ore, ma il valore della densità finale di bulk risulta inalterato. Il tempo di residenza ha un impatto solo sulla concentrazione dei prodotti di pirolisi sul flusso gassoso in uscita dal reattore, ma non influisce in modo significativo sulla densificazione della preforma.