连续纤维增强SiCf/SiC陶瓷复合材料的发展

连续纤维增强SiCf／SiC陶瓷基复合材料具有良好的高温力学性能、抗氧化性和化学稳定性，是航空航天和核能等领域新的高温结构材料研究的热点之一。回顾了增强体连续SiC纤维的发展，综述了SiCf／SiC材料的成型制备工艺、界面相对力学性能的影响和目前的应用研究，展望了连续纤维增强SiCf／SiC陶瓷基复合材料以后的研究重点及发展前景。     

SiCf/SiC陶瓷基复合材料制备技术与性能研究进展

连续SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料(SiCf/SiC)具有良好的高温力学性能、抗氧化性及放射耐受性等,是继Cf/C和Cf/SiC复合材料之后航空航天和原子能等领域最理想的新一代高温结构材料.从原材料、制备技术、微观结构与性能及应用等方面对SiCf/SiC复合材料的最新研究进展进行了综述,并对其发展趋势进行了展望.开发新型制备技术和优化现有技术及采用其联合工艺减低成本,进一步优化材料微观结构提高其使用性能是今后SiCf/SiC复合材料的研究重点.     

SiCf/SiC复合材料制备研究进展

随着科学技术的不断发展,人类对极端条件下应用的材料的需求持续上升.SiCf/SiC复合材料具有耐高温、高强高韧、耐氧化等优点,成为航空航天领域热端部件的理想候选材料;同时,SiCf/SiC复合材料还具有低活化、抗辐照、高温化学稳定性好等优异性能,在核电领域结构材料的应用具有广阔的前景.常用的SiCf/SiC复合材料的制备方法有化学气相渗透法、先驱体浸渍裂解法、热压烧结工艺和熔融浸渍法,其中化学气相渗透法和先驱体浸渍裂解法两种工艺已经应用于航空发动机静载热端部件的生产,但是这些工艺自身固有的不足在材料制备中依然无法较好地解决,于是近年来出现了混合采用多种工艺来制备SiCf/SiC复合材料的尝试.SiC纤维和基体间需要有一层界面层来偏转裂纹、保护纤维,目前常用的界面材料有热解炭和六方氮化硼涂层,由于单一涂层较难满足材料在多种复杂条件下的应用需求,针对涂层改进的新方法和新思路层出不穷.相对于传统烧结工艺,新型烧结方式如微波烧结和放电等离子烧结等在烧结速度、温度均匀性等方面展示出巨大的优势,为陶瓷基复合材料的制备提供了新的选择.为了进一步提升SiCf/SiC复合材料的性能,近年的研究工作主要集中在对SiCf/SiC复合材料的制备方法的优化、纤维/基体界面层的创新和对烧结技术的选择等方面.本文从这些方面对SiCf/SiC复合材料的研究进展进行了详细的归纳和介绍.     

气相渗硅工艺制备KD-1 SiCf/SiC 复合材料及其性能研究

以国产KD-1型SiC纤维为增强体,采用化学气相沉积和酚醛树脂浸渍裂解获得两种碳源的多孔SiCf/C,通过气相渗硅工艺制备了KD-1 SiCf/SiC复合材料,对复合材料的微观结构和力学性能进行了研究.结果表明:不同碳源的多孔SiCf/C,经过气相渗硅得到SiCf/SiC复合材料的断裂韧性相差较大,分别为12.9,2.0MPa·m1/2.而对于酚醛树脂浸渍裂解制备的高孔隙率SiCf/C中间体,经过气相渗硅得到SiCf/SiC复合材料的密度及力学性能明显高于由低孔隙率SiCf/C得到的SiCf/SiC复合材料.     

SiCf/SiC复合材料界面相研究进展

分析了连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMCs)中界面相类型以及各界面相在CFRCMCs中的作用,综述了热解碳(PyC)、氮化硼(BN)、难熔氧化物以及复合界面相在SiCf/SiC复合材料中的应用现状,最后展望了SiCf/SiC复合材料界面相的发展方向。     

CVD SiC涂层SiC纤维增强SiC复合材料的研究

本文采用CVD技术对KD-1 SiC纤维作涂层处理,再通过聚碳硅烷浸渍裂解法制备单向SiCf/SiC复合材料.研究了不同沉积时间的CVDSiC涂层对SiCf/SiC复合材料性能的影响,同时运用SEM研究了SiC纤维表面SiC涂层的形貌.结果表明:经过5小时CVDSiC涂层SiCf/SiC复合材料具有良好的力学性能和抗氧化性能.     

Cf/SiC陶瓷基复合材料在航天领域的研究与应用

碳纤维增强碳化硅(Cf/SiC)陶瓷基复合材料是近年来发展起来的新型高温结构材料.综述了Cf/SiC陶瓷复合材料的主要制备工艺和氧化防护方面的研究进展,概括介绍了Cf/SiC陶瓷复合材料在航天领域的应用与研究,最后指出了有待解决的问题和研究方向.     

低温预氧化对PIP-SiCf/SiC复合材料介电性能的影响

分析了低温预氧化过程对聚碳硅烷(PCS)先驱体结构的影响,研究了不同预氧化温度和时间下SiCf/SiC复合材料室温和高温介电性能的演变规律。结果表明:经预氧化处理后基体中的氧含量增加,生成具有低介电常数的Si CxOy相,且其含量随着预氧化温度的升高或时间的延长逐渐增加,SiC微晶和自由碳的含量均减少,因此SiCf/SiC复合材料的复介电常数明显降低,同时高温复介电常数的升高幅度显著减小。经260℃-6 h预氧化处理后,700℃时复合材料在整个X波段的反射率均达到-8 d B以下,高温吸波性能得到有效改善。     

聚变堆用SiCf/SiC复合材料的研究进展

回顾了聚变堆用SiCf/SiC复合材料制备工艺的最新研究进展,介绍了SiCf/SiC复合材料的力学性能、抗辐照性能、气密性、热稳定性、化学相容性等方面的性能及其连接技术并进行了总结和展望.     

碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料的研究进展

对碳化硅纤维（SiCf)增强陶瓷基复合材料（CMCS）的研究现状与进展作了较系统的论述。讨论了SiCf增强CMCS的界面层作用,热膨胀系数不匹配对材料的影响,高温抗蠕变抗疲劳性能及抗氧化性能等。最后指出了SiCf增强CMCS作为高温结构陶瓷材料的研究方向以及尚等解决的问题。     

连续纤维增强SiC复合材料制备工艺与性能研究进展

综述了国内外碳纤维与碳化硅纤维增强碳化硅复合材料的制备工艺与性能的研究进展,并介绍了其氧化性能及防护措施.认为连续纤维增强SiC复合材料的制备工艺复杂,成本较高,生产周期长,但是如果采用连接技术制备成陶瓷/金属复合构件使用,既有利于降低成本,又能够扩大该先进陶瓷基复合材料的应用范围.目前,国内对连续纤维增强的SiC复合材料与金属(如高温合金等)的连接技术研究较少.     

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.     

连续纤维补强增韧碳化硅基陶瓷复合材料研究进展

连续纤维补强增韧碳化硅基陶瓷复合材料具有密度低、强度和韧性高、抗氧化、耐高温等综合性能,已在国外宇航领域得到了广泛的应用.综述了国内外连续纤维补强增韧C/SiC陶瓷复合材料的研究进展,主要包括国内外在增韧机理、基体复合技术、界面技术以及应用等方面的研究进展情况.     

Z-pin增强CMC层间Ⅰ+Ⅱ混合型断裂韧性

提出手工预缝纫方法将3K丝束的T300碳纤维引入预成型体,采用CVI工艺在预成型体和缝线处同时渗透SiC基体,制备了Z-pin增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料。通过三点弯曲试验测定了Ⅰ+Ⅱ混合型应变能释放率,分析了材料的裂纹扩展行为和Z-pin增强机理。结果表明:随着裂纹扩展长度的增大,Ⅰ+Ⅱ型裂纹扩展阻力不断增大,相同裂纹扩展长度,增加Z-pin植入密度可以提高粘结强度,增大止裂作用。Z-pin增强平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料裂纹扩展的耗能途径主要是层间界面剥离、Z-pin弹性剪切和拉伸变形。     

NITE工艺制备SiCf/SiC复合材料的研究进展

NITE(nano-infiltration and transient eutectic)工艺作为一种制备碳化硅纤维增强碳化硅基(SiCf/SiC)复合材料的新方法,具备周期短、工艺简单、生产成本低等优点,制备出的复合材料基体致密、孔隙率低、不含残余硅,适用于1400℃及以上高温长时服役环境应用。目前,日本、美国等国家基于其成熟的第三代碳化硅纤维,对该技术开展了较为深入的研究,并在核能工业热交换器、航空发动机燃烧室衬套等领域进行了应用验证。本文针对NITE工艺从基本概念、工艺流程、制备的SiCf/SiC复合材料和构件考核验证及前景展望四方面进行综合阐述,以期为国内该工艺的发展及应用提供一定程度的参考。     

Effects of polymer derived SiC interphase on the properties of C/ZrC composites

Polymer derived silicon carbide (SiC) interphase was introduced by precursor infiltration and pyrolysis (PIP) to prevent carbon fiber erosion and to improve the fiber–matrix interface bonding of C/ZrC composites prepared by PIP. Introducing SiC interphase increased the density of the composites. The SiC interphase not only protected carbon fibers effectively from erosion by carbo-thermal reduction, but also enhanced the mechanical properties of C/ZrC composites by strengthening the interface bond. The flexural strength and fracture toughness of C/ZrC composites with SiC interphase prepared by two PIP cycles were 319 MPa and 18.8 MPa m^1/2 respectively. The ablation properties of C/ZrC composites were with rising content of SiC interphase but then decreased when excessive. The mass loss rate and the linear recession rate of the C/ZrC composites with SiC interphase prepared by one PIP cycle were 0.0079 g/s and 0.0084 mm/s, respectively.     

Fabrication of hybrid ceramic matrix composites

The desire to improve the transverse properties and microcracking stress of unidirectional continuous fiber reinforced ceramic matrix composites has led to development of the hybrid ceramic matrix composite (HCMC). This paper discusses the techniques we used in the fabrication of HCMC specimens used for mechanical characterization.     

连续SiC纤维增强金属基复合材料研究进展

SiC纤维增强金属基复合材料具有高的比强度、比刚度、耐腐蚀、耐高温等优异的综合性能,在实际应用中具有广阔的前景。本文主要总结了SiC纤维增强金属基复合材料的研究进展,分别阐述了SiC纤维增强铝基、钛基、铜基、镍基复合材料存在的问题、解决办法及应用现状。最后指出了限制复合材料实际应用的几点因素,包括:成本问题、界面问题、各向异性以及缺少质量检测评估体系。