陶瓷前驱体配比对Si-Zr-B掺杂沥青基炭材料抗氧化性能的影响

以SiC、ZrC、ZrB₂前驱体和二甲苯可溶煤沥青为原料共裂解制备了Si-Zr-B掺杂沥青, 掺杂沥青经共炭化、冷压成型以及高温热处理得到了Si-Zr-B掺杂沥青基炭材料。采用XRD、SEM、EDS等手段分析了掺杂沥青基炭材料的组成和微观形貌, 并研究了其在1500℃静态空气环境中的氧化行为。结果表明, 随着SiC前驱体含量的降低, Si-Zr-B掺杂沥青基炭材料的失重率呈现先减少后增大的趋势, 当原料中SiC、ZrC和ZrB₂前驱体质量比为1:2:1时, 所制备的样品具有较好的抗氧化性能, 它在1500℃氧化4 h, 失重为27.5wt%, 氧化深度为0.7 mm。在Si-Zr-B掺杂沥青基炭材料表面氧化形成的致密的SiO₂-ZrO₂-B₂O₃玻璃态阻氧层可以有效降低氧化性气氛向材料内部扩散的速率, 提高其抗氧化性能。     

Si—B掺杂沥青基炭纤维的制备及其抗氧化性能

为了提高炭纤维的高温抗氧化性能,提出了一种制备Si—B掺杂沥青基炭纤维的方法。通过聚硼硅氮烷(PSNB)和石油沥青低温共裂解合成了Si—B掺杂沥青,Si—B掺杂沥青经熔融纺丝、原丝预氧化和炭化得到Si—B掺杂沥青基炭纤维。研究了Si—B掺杂沥青及其炭纤维的组成、微观结构和低温抗氧化性能。结果表明,随原料沥青中PSNB掺杂比例的提高,Si—B掺杂炭纤维的拉伸强度和杨氏模量逐渐降低,抗氧化性能逐渐增强。1 400℃炭化得到的Si—B掺杂炭纤维在600℃氧化240 min失重率为25%,650℃氧化140 min失重率为60%。未掺杂炭纤维在相同条件下的氧化失重率分别为46%和99%。Si—B掺杂炭纤维氧化形成的B_2O_3具有较好的流动性,可以在纤维表面形成连续的玻璃膜,有效地抑制基体炭的氧化。     

Mark Ⅲ型碳化硅纤维的研制

碳化硅(SiC)纤维是具有比强度高、比模最高、耐高温、抗氧化的新型增强材料。本文对 Mark Ⅲ型 SiC 纤维制备过程中聚二甲基硅烷、派松、聚碳硅烷的合成,聚碳硅烷纺丝、予氧化、高温烧成等工艺的原理、工艺参数和产物结构分析进行了讨论。     

硼离子注入对SiC-C/ SiC 复合材料抗氧化性影响

通过等离子体源离子注入法( PSII), 对带有SiC 涂层的C 纤维增强SiC 基(SiC-C/ SiC) 复合材料进行硼离子注入, 研究了硼离子注入对样品抗氧化性能的影响。通过俄歇电子能谱检测分析了样品成份的深度分布。在空气中1300 ℃的高温条件下进行了氧化实验。通过XRD 和扫描电镜分别对样品的化学组成和表面形貌进行了表征, 对样品的力学性能进行了测试。结果表明, 对SiC-C/ SiC 复合材料注入硼有助于提高其抗氧化性能。经过离子注入试样的弯曲性能与未经离子注入试样相比变化很小。      

静电纺丝法制备SiC纤维

以聚碳硅烷(PCS)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为原料制得前躯体溶液,采用静电纺丝法制备出PCS/PVP前驱体纤维,经高温分解得到SiC纤维.X射线衍射证实纤维中生成了立方结构β-SiC相.采用扫描电子显微镜(SEM)对前驱体纤维及煅烧后SiC纤维的形貌进行了观察,所制备的SiC纤维直径很小,但均匀性不是很高,且表面依附一层非晶形SiO2薄膜层.     

先驱体转化法制备耐高温Si-Al-C-O纤维

以聚硅碳硅烷(PSCS)与乙酰丙酮铝为原料,在常压高温条件下反应制备出聚铝碳硅烷(PACS),经过熔融纺丝、空气预氧化、烧成等工艺,制备出性能优异的耐高温Si-Al-C-O(KD-A)纤维.研究了PACS纤维组成,预氧化过程中的质量增加、Si-H反应程度、凝胶含量,探讨了氧对KD-A纤维性能的影响;通过元素分析、AES和SEM等一系列分析,研究了KD-A纤维的结构组成以及耐高温性能.研究表明,PACS纤维空气预氧化过程中,主要是Si-H键与氧发生反应生成Si-O-Si交联结构;KD-A纤维的组成SiC1.51O0.31Al0.013耐高温性能明显优于普通SiC纤维,在空气中1000℃下加热100h后,强度保留率达到60%左右.     

聚碳硅烷SiC纤维的高温氧化行为研究进展

概述了聚碳硅烷前驱体制备的SiC纤维高温氧化研究进展,讨论了SiC纤维的三类氧化类型,总结了近几年来国外对SiC纤维高温氧化机理研究进展,分别讨论了不同氧分压、不同CO2分压、水蒸气、盐份等不同气氛下对SiC纤维高温氧化行为的影响.     

氮化硼掺杂石墨材料的抗氧化性能研究

以超细人造石墨粉和六方氮化硼(BN)粉为原料,SC煤沥青为粘接剂,采用热压成型法制备了BN掺杂石墨材料.研究了不同BN含量掺杂石墨材料在中温(600℃)和高温(900℃、1000℃)时的氧化失重行为,并对掺杂石墨材料氧化前后的微观形貌和结构进行了分析.结果表明,纯石墨材料的抗氧化性能较差,掺杂BN后其抗氧化性能得到明显提高,氧化失重大大降低,原因是BN在高温下氧化生成了晶态和玻璃态的氧化硼抗氧化保护膜.     

由PDMS与PVC共热解聚碳硅烷制备SiC-C纤维

以聚二甲基硅烷(PDMS)与聚氯乙烯(PVC)为原料,经过共热解聚合反应合成了聚碳硅烷(PCS P),并制备出SiC C纤维.利用IR、XRD、XPS等分析方法对先驱体PCS P与SiC C纤维的组成、结构与性能进行了研究.结果表明,在PVC的引入量适当的条件下,通过共热聚将少量的短碳链引入到聚碳硅烷结构中,使SiC-C纤维的电阻率显著降低到10-1～101Ω·cm,并保持了良好的结晶性和耐氧化性.     

液态SiBCN前驱体转化陶瓷的抗氧化性能及机制

前驱体转化法制备的SiBCN陶瓷具有优异的耐高温抗氧化性能,有望作为高温热结构材料应用于航空航天领域。本文主要对前驱体转化法制备的SiBCN陶瓷在1 200、1 400℃下的抗氧化性能进行研究。采用XPS对陶瓷氧化前后化学键结合方式进行表征,分析了氧化前后化学结构的变化;采用XRD和SEM对陶瓷氧化前后表面相组成、微观形貌和截面氧化层进行分析,并通过氧化层厚度随时间变化对高温抗氧化动力学进行了研究。结果表明:SiBCN陶瓷经高温氧化后在表面形成了致密的氧化膜,氧化层主要以无定形态存在,且与基体结合紧密;陶瓷的高温氧化速率受氧扩散控制,其在1 200、1 400℃下的氧化动力学常数分别为0.0224 μm2/h和0.1045 μm2/h,小于SiC陶瓷的0.0449 μm2/h和0.1288 μm2/h。由于SiBCN陶瓷形成的BN （C）结构以及高温氧化后形成的SiO_xN_y致密氧化膜降低了氧气在氧化层中的扩散速率以及反应活性,使得SiBCN陶瓷具有比SiC陶瓷更加优异的高温抗氧化性能。      

Interlaminar shear strength of SiC matrix composites reinforced by continuous fibers at 900 °C in air

To reveal the shear properties of SiC matrix composites, interlaminar shear strength (ILSS) of three kinds of silicon carbide matrix composites was investigated by compression of the double notched shear specimen (DNS) at 900 °C in air. The investigated composites included a woven plain carbon fiber reinforced silicon carbide composite (2D-C/SiC), a two-and-a-half-dimensional carbon fiber-reinforced silicon carbide composite (2.5D-C/SiC) and a woven plain silicon carbon fiber reinforced silicon carbide composite (2D-SiC/SiC). A scanning electron microscope was employed to observe the microstructure and fracture morphologies. It can be found that the fiber type and reinforcement architecture have significant impacts on the ILSS of the SiC matrix composites. Great anisotropy of ILSS can be found for 2.5D-C/SiC because of the different fracture resistance of the warp fibers. Larger ILSS can be obtained when the specimens was loaded along the weft direction. In addition, the SiC fibers could enhance the ILSS, compared with carbon fibers. The improvement is attributed to the higher oxidation resistance of SiC fibers and the similar thermal expansion coefficients between the matrix and the fibers.     

含镍碳化硅纤维的制备及其电磁性能Ⅱ.含镍碳化硅纤维的电磁性能

研究了含镍碳化硅纤维的电阻率和复电磁参烽。随着烧成温度和纤维内镍含量的提高,陶瓷纤维的电阻率下降,复电磁参数均增加。陶瓷纤维内的游离碳是影响纤维电阻率的主要因素。这种纤维与环氧树脂复合制成的结构吸波材料对雷达波具有良好的吸收。     

连续含铁碳化硅纤维及其结构吸波材料的研制

为了研制碳化硅吸波纤维, 首次采用聚二甲基硅烷(PDMS)和二茂铁合成聚铁碳硅烷(PFCS), PFCS经多孔熔融纺丝、 空气不熔化和在N₂中1320℃连续烧成, 可制得连续含铁碳化硅(SiC(Fe))吸波纤维; 用SiC(Fe)纤维与环氧树脂制备的结构材料具有良好的吸波性能。XPS剖面分析、 Raman光谱表明: 纤维表面有一层厚约100nm的富碳层, 由表及里铁的含量逐渐增加; 随着温度的升高游离碳的排列逐渐规整化。研究了碳对纤维性能的影响, 结果表明: 游离碳的存在有利于纤维电阻率的降低, 复介电常数和介电损耗的增大。      

The role of oxidation in time-dependent response of ceramic–matrix composites

In this work, a model is constructed to account for the effect of oxidation of the fiber, fiber interface coating and surrounding matrix on the stress distribution and strain accumulation in ceramic–matrix composites. The model includes the role of the fabric architecture, the effect of porosity and the distribution of cracks in its formulation and utilizes oxidation rate constants and phenomenological models for the progress of oxidation as reported in literature.Dwell fatigue experiments were carried out for silicon carbide/silicon carbide nitride (SiC/SiNC) and Melt infiltrated silicon carbide/silicon carbide (MI SiC/SiC) composites to evaluate their time-dependent strain accumulation. Strain accumulation due to oxidation calculated by the model was compared to time-dependent strain obtained from experiment and showed that the rate of strain accumulation due to oxidation was low before the fibers were exposed to the environment but drastically increased after that. Such high rate of strain accumulation can be one of the main causes for failure of the composite.Model results showed that strain accumulation in both composites due to oxidation was dependent on the stress level with the SiC/SiNC accumulating more strain at similar stress levels. This can be explained by the higher modulus of the MI SiC/SiC that limits deformation, reducing crack density and accordingly decreasing the chance of oxygen to infiltrate the specimen and oxidize the fibers. Strain accumulation due to oxidation was also dependent on the fabric architecture and stress distribution within the unit cell. Additionally, comparing the effect of the value of the linear and parabolic oxidation rate constants reported by different researchers showed that not only is their absolute value important, but also their ratio to one another.     

由有机-无机混杂先驱体制备SiC纳米微粉

以工业硅溶胶和水溶性酚醛树脂为原料合成了有机-无机混杂先驱体,经过高温热处理,利用碳热还原反应制备了碳化硅纳米微粉,研究了先驱体的热分解过程以及制备工艺对产物组成结构的影响.结果表明产物为纯度较高的纳米碳化硅粉末与碳化硅晶须的混合物.     

Mechanical behavior of SiCf/SiC composites with alternating PyC/SiC multilayer interphases

In order to tailor the fiber–matrix interface of continuous silicon carbide fiber reinforced silicon carbide (SiC_f/SiC) composites for improved fracture toughness, alternating pyrolytic carbon/silicon carbide (PyC/SiC) multilayer coatings were applied to the KD-I SiC fibers using chemical vapor deposition (CVD) method. Three dimensional (3D) KD-I SiC_f/SiC composites reinforced by these coated fibers were fabricated using a precursor infiltration and pyrolysis (PIP) process. The interfacial characteristics were determined by the fiber push-out test and microstructural examination using scanning electron microscopy (SEM). The effect of interface coatings on composite mechanical properties was evaluated by single-edge notched beam (SENB) test and three-point bending test. The results indicate that the PyC/SiC multilayer coatings led to an optimum interfacial bonding between fibers and matrix and greatly improved the fracture toughness of the composites.     

SiC陶瓷纤维先驱体设计原则及合成研究进展

总结阐述了SiC陶瓷纤维先驱体的设计原则,对国内外SiC陶瓷纤维先驱体的主要合成方法进行了总结.在设计原则的指导下,比较了各种合成方法的优缺点,包括先驱体的产率、杂元素含量、分子形态、分子量及其分布等结构参数,先驱体可纺性以及制备的SiC纤维的性能;并根据设计原则和研究进展提出,降低先驱体中杂元素含量,提高陶瓷产率并兼顾可纺性、稳定性要求是SiC陶瓷纤维先驱体分子设计的方向;指出国内SiC陶瓷纤维的发展要立足于创新,通过不同途径制备出符合要求的陶瓷先驱体。     

固/液态聚碳硅烷共混制备碳化硅纤维的研究

以超支化液态聚碳硅烷(LPCS)与固态聚碳硅烷(纯PCS)的共混物作先驱体,熔融纺丝;所得原丝再在热空气气氛中氧化交联,在高温氮气气氛中热裂解,得到碳化硅纤维。研究表明,15%(质量分数)LPCS的加入,可使纯PCS先驱体的纺丝温度,从285℃降低到225℃;纺丝性能和纤维表面质量明显提高;还可以提高氧化交联的效率,降低交联温度,从而减少纤维部分融并、粘结的弊端;虽然纤维的室温力学强度有所降低,但抗氧化性能提高,1400℃氧化交联后,力学性能几乎不变;而纯PCS的力学性能却降为原来的50%。     

热模压辅助先驱体浸渍裂解制备Cf/SiC复合材料研究

以聚碳硅烷为先驱体,采用热模压辅助先驱体浸渍裂解工艺制备3D-B C_f/SiC复合材料,研究了热模压辅助对3D-B C_f/SiC复合材料致密度和力学性能的影响。结果表明:先驱体浸渍裂解制备陶瓷基复合材料第一次浸渍后引入高温热模压工艺可以改善材料微观结构,显著提高材料的致密度和力学性能。其中1600℃,10MPa,1h下热模压辅助先驱体浸渍裂解6次制备的3D-B C_f/SiC复合材料的密度为1.79g/cm3,弯曲强度高达672MPa,断裂韧性达18.9MPa·m1/2,剪切强度接近50MPa,且具有较好的抗热震性和高温抗氧化性。