SiC纤维表面碳涂层及其SiCf/SiC复合材料性能研究

采用先驱体转化法(PIP)以酚醛和沥青为先驱体在SiC纤维表面涂覆碳层,并制备SiCf/SiC复合材料;优化了两种碳涂层制备工艺;分析了涂层后纤维的表面形貌并测试涂层厚度;研究了两种碳涂层对两种SiC纤维(普通和含铝)及复合材料力学性能的影响.     

SiC纤维表面涂层的制备及其作用研究进展

SiC纤维作为陶瓷基复合材料(CMC)的常见增强体之一，具有较低的密度、较高的拉伸强度以及优良的耐高温和耐氧化性能。在SiC纤维表面制备涂层，不仅可提升纤维本身的力学性能、耐高温性能、抗氧化性能以及电磁功能特性，而且还可有效改善纤维与基体界面的结合性能，提高复合材料的断裂韧性与力学性能。本文首先对SiC纤维表面涂层的制备方法进行了综述，阐述了刻蚀法、沉积法、化学气相渗透法以及先驱体转化法等方法的基本过程及相关研究进展，并对比了不同制备方法的优缺点，然后综述了涂层对SiC纤维及其增强的复合材料的影响，最后对SiC纤维上制备涂层的发展趋势进行了总结归纳，可以采用实验研究与计算仿真相结合的手段来模拟SiC纤维涂层的真实服役环境，并可以通过制备热障复合涂层来提高纤维在极端服役条件下的使用性能。     

PIP法制备Cf／SiC和SiCf／SiC复合材料的研究进展

先驱体浸渍-热解（PIP）法是制备连续纤维增强SiC基陶瓷的主要方法之一。介绍了PIP工艺的特点、对PIP工艺制备G／SiC和SiCJSiC复合材料的工作结果做了统计,概括了PIP工艺优化、填充剂、纤维预处理和表面涂层、低成本制造路线、陶瓷先驱体选择和合成方面的研究进展,分析了现有PIP工艺存在的问题,提出了在现有工艺水平上可以显著提高产品性能和产能的设备设施改进措施,包括建立高等级净化室和浸渍-固化-热解设备-体化。     

SiC纤维表面涂层的制备及其作用研究进展EI

SiC纤维作为陶瓷基复合材料(CMC)的常见增强体之一,具有较低的密度、较高的拉伸强度以及优良的耐高温和耐氧化性能。在SiC纤维表面制备涂层,不仅可提升纤维本身的力学性能、耐高温性能、抗氧化性能以及电磁功能特性,而且还可有效改善纤维与基体界面的结合性能,提高复合材料的断裂韧性与力学性能。本文首先对SiC纤维表面涂层的制备方法进行了综述,阐述了刻蚀法、沉积法、化学气相渗透法以及先驱体转化法等方法的基本过程及相关研究进展,并对比了不同制备方法的优缺点,然后综述了涂层对SiC纤维及其增强的复合材料的影响,最后对SiC纤维上制备涂层的发展趋势进行了总结归纳,可以采用实验研究与计算仿真相结合的手段来模拟SiC纤维涂层的真实服役环境,并可以通过制备热障复合涂层来提高纤维在极端服役条件下的使用性能。     

SiC纤维表面涂层的制备及其作用研究进展EI北大核心

SiC纤维作为陶瓷基复合材料(CMC)的常见增强体之一,具有较低的密度、较高的拉伸强度以及优良的耐高温和耐氧化性能。在SiC纤维表面制备涂层,不仅可提升纤维本身的力学性能、耐高温性能、抗氧化性能以及电磁功能特性,而且还可有效改善纤维与基体界面的结合性能,提高复合材料的断裂韧性与力学性能。本文首先对SiC纤维表面涂层的制备方法进行了综述,阐述了刻蚀法、沉积法、化学气相渗透法以及先驱体转化法等方法的基本过程及相关研究进展,并对比了不同制备方法的优缺点,然后综述了涂层对SiC纤维及其增强的复合材料的影响,最后对SiC纤维上制备涂层的发展趋势进行了总结归纳,可以采用实验研究与计算仿真相结合的手段来模拟SiC纤维涂层的真实服役环境,并可以通过制备热障复合涂层来提高纤维在极端服役条件下的使用性能。     

不同界面SiC/SiC复合材料的断裂行为研究

碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC/SiC)是极具前景的高温结构材料。通过先驱体浸渍裂解(PIP)工艺分别制备了PyC界面和CNTs界面SiC/SiC复合材料, 对两种SiC/SiC复合材料的整体力学性能以及界面剪切强度等进行了测试表征, 并对材料中裂纹的产生与扩展进行了原位观测。结果表明, 两种界面SiC/SiC复合材料弯曲强度相近, 但PyC界面SiC/SiC复合材料的断裂韧性约为CNTs界面SiC/SiC复合材料的两倍。在PyC界面SiC/SiC复合材料中, 裂纹沿纤维-基体界面扩展, PyC涂层能够偏转或阻止裂纹, 材料呈现伪塑性断裂特征; 而在CNTs界面SiC/SiC复合材料中, 裂纹在扩展路径上遇到界面并不偏转, 初始裂纹最终发展为主裂纹, 材料呈现脆性断裂模式。     

威碳纤维及其SiC基复合材料的性能分析

以聚碳硅烷(PCS)为先驱体,国产光威(Gw)碳纤维为增强体,采用先驱体浸渍-裂解工艺(PIP)制备了Cf/SiC复合材料.结果表明,所制备Gw碳纤维复合材料的力学性能优异,抗弯强度达到405.3MPa,断裂韧性15.7 MPa·m1/2.并对GW纤维制备复合材料的表面和断口进行了显微形貌分析,复合材料断口纤维拔出较多,Gw碳纤维在复合材料中很好地发挥了补强增韧作用.     

BN和BN/SiC涂层对SiC纤维单丝拉伸性能的影响及其失效行为

采用化学气相渗透(CVI)工艺在两种国产典型SiC纤维表面沉积了BN和BN/SiC涂层，并对涂层的成分进行分析。利用Weibull分布评价SiC纤维的单丝拉伸强度，研究了沉积涂层前后纤维的拉伸断裂失效行为。结果表明，合适厚度(15 nm)的富碳层能够弥合SiC纤维表面的缺陷，减少纤维从表面开始失效的可能。采用CVI工艺制备的涂层厚度均匀，成分稳定；沉积BN和BN/SiC涂层后，两种SiC纤维的拉伸强度和弹性模量下降。BN涂层亦可修复纤维的表面缺陷，使纤维强度分布趋于集中。与无涂层纤维不同的是，沉积涂层后纤维拉伸断裂失效源分别为BN和SiC涂层的表面缺陷。     

纤维表面涂层对SiC(f)/SiC复相陶瓷力学性能和界面结构的影响

报道了化学气相浸渍（CVI）工艺制备的SiC（f）/SiC复相陶瓷中纤维表面涂层对复合材料力学性能和显微结构的影响。SEM观察表明：C或B N表面涂层改变了SiC（f）/SiC复相陶瓷中纤维与基体间的强界面结合,使断裂过程中的界面解离和纤维拔出大大增加,与此同时材料的断裂韧性和断裂功明显提高。说明C或BN纤维表面涂层能够大大地改善SiC（f）/SiC复相陶瓷的脆性断裂行为模式。高分辨电镜的观察证实在CVI过程初期,纤维表面首先发生石墨界面相的沉积,该界面相具有明显的层状晶格条纹,而纤维表面C涂层为无定型态。     

PyC/SiC界面相对PIP法制备3D HTA C/SiC复合材料性能的影响

利用三维编织炭纤维预制件通过先驱体浸渍裂解法制备C／SiC复合材料。研究了热解碳（PyC）／SiC界面相对复合材料的微观结构和力学性能的影响。弯曲性能通过三点弯曲法测试，复合材料的断口和抛光面通过扫描电镜观察。结果表明：通过等温化学气相沉积法在纤维表面沉积PyC／SiC界面相以后，复合材料的三点抗弯强度从46MPa提高到247MPa。沉积界面的复合材料断口有明显的纤维拔出现象，纤维与基体之间的结合强度适当，起到了增韧作用；而未沉积界面相复合材料的断口光滑、平整，几乎没有纤维拔出，纤维在热解过程中受到严重的化学损伤，性能下降严重，材料表现为典型的脆性断裂。     

聚变堆结构材料SiC/SiC的研究进展

SiC/SiC复合材料具有优异的高温强度、抗蠕变性能、耐腐蚀和热冲击性能、假塑性断裂行为以及在聚变环境下固有的低诱导放射性和放射余热,被公认为是聚变堆结构的候选材料,在国际上很多反应堆概念设计中颇受瞩目.综述了几十年来世界范围内对聚变堆包层结构应用背景下的SiC纤维、SiC单体、纤维一基体界面以及SiC/SiC复合材料的研究进展,阐述了对该复合材料辐照效应的研究现状,并在此基础之上指出了目前SiC/SiC复合材料应用于聚变堆包层结构材料的限制因素.     

The effect on the tensile properties of PIP-processed SiC/SiC composite of a chemical vapor-infiltrated SiC layer overlaid on the pyrocarbon interface layer

A chemical vapor-infiltrated (CVI) SiC layer is often deposited on the pyrocarbon (PyC) fiber–matrix interface layer in SiC fiber-reinforced SiC matrix (SiC/SiC) composites. It is normally applied to protect the PyC layer from reacting with molten Si or sintering aids during manufacturing, and to guard against the effects of high temperature, oxidation and moisture during use. In this study, we investigated the effect of this SiC layer on the tensile properties of a composite. Tensile tests of our composite samples showed the SiC layer to have no noticeable effects on its ultimate load or fracture strain, whereas it decreased the load-to-strain ratio and proportional limit. The test results were analyzed by carrying out element tests on filaments and fiber bundle samples, fracture mirror analysis of pullout fibers, and finite element analysis (FEA) of residual thermal stress around the interface.     

制备工艺对热压烧结SiC/SiC复合材料结构与性能的影响

采用纳米SiC和亚微米SiC粉料作为基体形成原料,通过热压烧结技术制备了SiC/SiC 复合材料.研究了粉料颗粒、烧结温度、烧结压力对复合材料显微结构和各种性能的影响.结果显示,采用纳米碳化硅粉体可有效降低烧结温度,促进复合材料的致密化过程,在1780℃、20MPa条件下可获得性能优良的复合材料.而采用亚微米SiC粉体,复合材料的致密化过程需要较高的温度,但随着密度的增加,基体与纤维之间的作用力增强,不利于性能的提高.     

Degradation of a SiC/SiC composite in the burner rig: investigation by fractography

Abstract

Oxidation occurs at two levels in a fiber-reinforced composite, the more pernicious form being “internal oxidation”. In SiC/SiC composites a compliant interphase layer of carbon or boron nitride permeates the entire structure, and can serve as conduit for deep ingress of ambient oxidants. Because such insidious (“pest”) attack is not amenable to the usual analysis by measurement of weight change or oxide thickness, it thwarts efforts at routine prediction of service life. However, it leaves its signature in the microstructure. Hence, microscopy provides a useful tool for assessing pest degradation in SiC/SiC composites. This paper summarizes our studies on the Hi-Nicalon/BN/SiC composite, in which various microscopy tools were used to reveal features and disclose mechanisms behind the catastrophic degradation of this material in a burner rig.     

聚变堆结构应用SiC/SiC热导率的研究进展

得益于其优异的高温性能和韧性断裂行为以及聚变环境下的低诱导辐射,SiC/SiC复合材料在聚变堆结构应用方面有着巨大潜力.由于传统SiC/SiC复合材料的热导率难以达到要求,近年来越来越多的研究机构将研究重点放在提高该材料的热导率上.介绍了聚变堆结构应用背景下提高SiC/SiC复合材料热导率的途径及方法,综述了世界范围内该领域的研究进展,并在此基础上展望了SiC/SiC复合材料热导率的研究前景.     

泡沫碳化硅陶瓷表面原位生长碳化硅晶须

采用固相和液相反应法在泡沫碳化硅陶瓷骨架表面原位生长碳化硅晶须,研究了催化剂和反应温度的影响．结果表明,催化剂氯化镍的作用使硅与碳直接反应生长出细长的碳化硅晶须．在适当的反应温度下生长的碳化硅晶须的表面光滑,线径比较大,有少量的呈弯曲状或竹节状;反应温度过高使得硅晶须的缺陷较多．在泡沫碳化硅陶瓷骨架的表面原位生长出碳化硅晶须属于LS生长机理．具有表面晶须的碳化硅陶瓷以深床体积过滤的方式用于过滤柴油机汽车尾气中的碳颗粒,表面晶须既能提高泡沫陶瓷过滤器的过滤能力,又有利于过滤器的再生．     

机械活化燃烧合成SiC粉体的研究

以硅粉和碳黑为初始原料, 通过机械活化和化学活化预处理, 实现了Si-C体系在较低温度下燃烧合成SiC. 采用XRD、SEM和EDS等手段, 分析了合成产物的相组成和微观结构特征. 结果表明: 机械活化预处理可使燃烧反应诱发温度降低至1050℃, 合成SiC粉体的比表面积为4.36 m²/g, 平均粒径<5μm.     

碳化硅镜片材料的加工研究现状

为了推动碳化硅（SiC）光学材料镜面加工研究的发展，介绍了不同种类SiC及其针对性应用，综述了可用于SiC的精加工技术及获得高质量镜片表面的方法，并指出SiC光学材料镜面加工的发展方向．     

微波加热合成SiC纳米线的研究

采用单质Si粉和酚醛树脂为原料、均混、成型、碳化, 并以10℃/min的升温速率在1300～1400℃/0.5～2h的微波加热条件下制备了SiC纳米线. 用SEM和TEM观察所得SiC纳米线形貌, EDX检测样品成分. 结果发现: 所制备的SiC纳米线具有典型的SiC/SiO₂芯－壳式缆状结构特征, 直径约为20～100nm. 分析认为, 在微波加热条件下, 液态Si在SiC纳米线生长过程中起着至关重要的作用, 既具有催化作用, 同时又是制备SiC纳米线的关键原料.     

Comparison of oxidation behaviors of 3D C/PyC/SiC and SiC/PyC/SiC composites in an O2-Ar atmosphere

Oxidation behaviors of three-dimensional woven C/PyC/SiC and SiC/PyC/SiC prepared by CVI processing were investigated in an O₂-Ar atmosphere at 600 °C, 900 °C and 1200 °C, respectively, by using thermogravimetric analysis. After machining, both composites should be protected by CVD SiC coating, which was demonstrated effectively in improving the oxidation resistance of both composites. The oxidation behavior of SiC/PyC/SiC was different from that of C/PyC/SiC. The oxidation kinetics of C/PyC/SiC was controlled by the rate of the reaction between carbon and oxygen at 600 °C and by the oxygen diffusion through the coating microcracks at 900 °C. The oxidation kinetics of SiC/PyC/SiC at both 600 °C and 900 °C were assumed to be controlled by the oxygen diffusion through channels of coating and matrix defects and looped pipelines instead of PyC interphase. At 1200 °C, the oxidation was controlled by oxygen diffusion through the SiO₂ scale, which took place mainly on the surfaces of both composites.