先驱体转化法制备碳纤维增强碳化硅复合材料的研究

本文采用有机硅先驱体聚碳硅烷转化成碳化硅制备连续碳纤维增强的碳化硅基复合材料。对其制备工艺,如碳纤维体积分数的控制、液相浸渍聚碳硅烷热解转化成碳化硅基体的致密化等进行了研究。结果表明,该工艺对制备连续纤维增强的陶瓷基复合材料是一种有效的方法,易于实现纤维和基体的成型、复合。致密化过程不损伤纤维。对其C/SiC复合材料的性能进行了表征,C纤维具有明显增韧碳化硅的效果,其断裂机制表现为韧性特征。     

Cf/SiC制备过程中纤维热应力损伤研究

采用束丝碳纤维和聚碳硅烷先驱体浸渍裂解工艺制成C_f/SiC丝束,并进行了分析表征,研究了其中的纤维受损情况。实验结果表明,由于先驱体聚碳硅烷在浸渍裂解时倾向于以纤维为依托进行热解,并且其中较多量的氧及杂质的存在将对纤维造成损伤,因而会形成较强的纤维基体界面;纤维基体热膨胀系数失配等因素造成的热应力将使纤维进一步受损。      

CVI-PIP工艺制备C/SiC复合材料及其显微结构研究

采用化学气相渗透(CVI)与先驱体浸渍裂解(PIP)两种工艺方法联用制备C/SiC陶瓷基复合材料,通过与单纯PIP工艺的致密化效率比较,复合材料的扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)分析,结果表明:采用CVI-PIP联用的方法制备C/SiC复合材料,致密化程度有明显的提高.CVI沉积SiC基体结晶性较好,为典型的β-SiC晶体结构;而PIP先驱体聚碳硅烷裂解基体为无定型结构,基体结构差异是决定材料结构与性能的关键因素.     

由聚碳硅烷生成纳米SiC颗粒增强B4C基复相陶瓷的结构与性能

制备了由聚碳硅烷（PCS）为先驱体裂解形成的纳米SiC增强的B4C基复合材料，并与直接球磨混合法制备的纳米SiC增强的B4C基复合材料进行了对比研究。实验结果表明，先驱体法制备的复合材料形成一种复杂的晶内/晶间结构；B4C内部的纳米SiC和Al2O3内部的少量纳米SiC、晶界处的层片状SiC、B4C晶粒内部的SiC亚晶界结构。材料的断裂方式以穿晶断裂为主，形成晶内裂纹扩展路径，增强了材料的韧性，采用PCS为先驱体工艺制备高性能的纳米复相陶瓷，其组织均匀性、致密度和力学性能均优于直接机械混合制备的纳米复合材料。     

低分子量聚碳硅烷制备3D-Cf/SiC复合材料

研究了低分子量聚碳硅烷 (PCS) 通过先驱体浸渍裂解 (PIP) 工艺制备C_f/SiC复合材料。分析表明:PCS的数均分子量为400,活性较强,陶瓷化产率为70％左右,在1200℃基本转化为微晶态的β-SiC。分别通过3种不同升温速率制备了3D-C_f/SiC复合材料试样,其弯曲强度分别为745.2MPa、686.7MPa和762.5MPa,明显高于文献报道3D-C_f/SiC复合材料弯曲强度300~500MPa的水平。试样断口的SEM照片均显示长的纤维拔出,有良好的增韧效果,低分子量PCS裂解得到的基体比较致密。实验结果说明,低分子量PCS适合于制备3D-C_f/SiC复合材料,并且提高升温裂解速率对材料性能影响很小。      

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。     

由聚碳硅烷生成纳米SiC颗粒增强B4C基复相陶瓷的结构与性能

制备了由聚碳硅烷（PCS）为先驱体裂解形成的纳米SiC增强的B₄C基复合材料,并与直接球磨混合法制备的纳米SiC增强的B₄C基复合材料进行了对比研究.实验结果表明,先驱体法制备的复合材料形成一种复杂的晶内/晶间结构;B₄C内部的纳米SiC和Al₂O₃内部的少量纳米SiC、晶界处的层片状SiC、B₄C晶粒内部的SiC亚晶界结构.材料的断裂方式以穿晶断裂为主,形成晶内裂纹扩展路径,增强了材料的韧性.采用PCS为先驱体工艺制备高性能的纳米复相陶瓷,其组织均匀性、致密度和力学性能均优于直接机械混合制备的纳米复合材料.     

含Ti的SiC纤维的先驱体的合成

通过聚碳硅烷与钛酸丁酯的反应,合成了含钛聚碳硅烷 PTC-Ⅰ(Ti/Si 原子比=0.02—0.04)。PTC-Ⅰ的可纺性与熔点随 Ti 含量增加而有规律地变化。由二苯基硅二醇与钛酸丁酯的反应,可制得低聚体的聚钛硅氧烷,将其与聚碳硅烷反应,可以合成具有更高 Ti 含量的聚合物PTC-Ⅱ(Ti/Si 原子比=0.10)。PTC-Ⅰ与 PTC-Ⅱ都具有良好的可纺性,以它们作为先驱体制得了含 Ti 的 SiC 纤维。     

T300碳纤维热处理对Cf/SiC复合材料性能的影响

以聚碳硅烷先驱体浸渍裂解工艺制备T300碳纤维增强3D Cf/SiC复合材料,研究了T300碳纤维预先热处理对材料性能的影响.结果表明,热处理能够弱化Cf/SiC复合材料中纤维-基体界面结合,减少碳纤维在复合过程的损伤,显著提高复合材料性能.纤维经热处理后制备的Cf/SiC复合材料弯曲强度和断裂韧性分别从未经处理的154MPa,4.8MPa·m1/2提高到437MPa,20.4 MPa·m1/2.     

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.     

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。     

SiC微粉含量对先驱体转化制备碳纤维布增强碳化硅复合材料性能的影响

以聚碳硅烷(PCS)、二乙烯基苯(DVB)和SiC微粉为原料制备了碳纤维布增强碳化硅复合材料，考察了SiC微粉含量对材料结构与性能的影响。实验表明，SiC微粉含量过低，材料内部存在大的孔洞，容易造成应力集中，导致材料的力学性能较差；而当SiC微粉含量较高时，在制备过程中微粉对碳纤维机械损伤加大，同样导致材料力学性能下降。当SiC微粉含量为30％(质量分数)时，所制备的材料的力学性能较好，其弯曲强度和拉伸强度分别为246．4MPa和72．5MPa。     

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.     

Design,Fabrication, Characterization and Simulation of PIP-SiC/SiC Composites

Continuous SiC fiber reinforced SiC matrix composites (SiC/SiC) have been studied and developed for high temperature and fusion applications. Polymer impregnation and pyrolysis (PIP) is a conventional technique for fabricating SiC/SiC composites. In this research, KD-1 SiC fibers were employed as reinforcements, a series of coatings such as pyrocarbon (PyC), SiC and carbon nanotubes (CNTs) were synthesized as interphases, PCS and LPVCS were used as precursors and SiC/SiC composites were prepared via the PIP method. The mechanical properties of the SiC/SiC composites were characterized. Relationship between the interphase shear strength and the fracture toughness of the composites was established. X-ray tomographic scans of the SiC/SiC composites were performed and the closed porosities of the composites were calculated. The compatibility of the SiC/SiC composites with liquid LiPb at 800 °C and 1000 °C was investigated. High-resolution synchrotron X-ray tomography was applied to the SiC/SiC composite and digital volume correlation was employed for Hertzian indentation testing of the SiC/SiC composite. A Cellular Automata integrated with Finite Elements (CAFE) method was developed to account for the effect of microstructure on the fracture behavior of the SiC/SiC composite.     

整体抗氧化C/C-ZrC-SiC复合材料的超高温烧蚀性能研究

以聚合有机锆与聚碳硅烷组成的共溶前驱体为原料, 采用溶液浸渍-裂解(PIP)工艺制得了2D C/C-ZrC-SiC复合材料, 对复合材料的超高温烧蚀性能进行了研究. 利用SEM和XRD对烧蚀后材料的微观结构和物相组成进行分析, 探讨了复合材料的抗烧蚀机理. 结果表明, 复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率随着ZrC含量的增加先减小后增大. 其中ZrC含量为17.45vol%的复合材料具有最优的抗烧蚀性能, 即在表面温度为2200℃, 等离子焰烧蚀300s后, 其质量烧蚀率仅为1.77mg/s, 线烧蚀率为0.55μm/s. 研究发现, 材料表层的ZrC氧化生成的ZrO₂溶于SiC氧化生成的SiO₂中, 形成粘稠的二元玻璃态混合物, 有效阻止氧化性气氛进入基体内部, 对抗超高温烧蚀起到协同作用.     

裂解工艺对先驱体转化制备Cf/SiC材料结构与性能的影响

以聚碳硅烷(PCS)/二乙烯基苯(DVB)为先驱体,经8个周期的反复真空浸渍-交联-裂解处理制备出三维编织碳纤维增强碳化硅(3D-B C_f/SiC)复合材料,考察了裂解工艺对材料结构与性能的影响。结果表明:提高裂解升温速率可以提高材料密度,形成较理想的界面结合,从而提高材料的力学性能。裂解温度对材料性能也有较大的影响,C_f/SiC复合材料在第6个周期采用1600℃ 裂解可以弱化纤维与基体之间的界面,提高材料致密度,材料的力学性能也得到较大改善。裂解升温速率为15℃/min,第6个周期采用1600℃裂解制备的C_f/SiC材料性能较好,弯曲强度达到556.7 MPa。      

三维针刺C/SiC复合材料显微结构演变分析

以三维针刺碳毡作为预制体,采用树脂浸渍-热解工艺制备C/C多孔体,然后采用反应熔体浸渍法(Reactive melt infiltration,RMI)对C/C多孔体分别浸渗Si和Si-Mo合金制备C/SiC复合材料。首先研究了C/C多孔体制备过程中的显微结构演变。结果表明,浸渍过程中树脂主要填充在纤维束内小孔隙中,热解后裂纹增多,生成网格状C/C亚结构单元;高温热处理使C/C复合材料裂纹进一步扩展,石墨化度提高,束内闭气孔打开,从而为RMI渗Si提供通道。然后对C/C多孔体分别渗Si和Si-Mo合金所得材料的物相组成和显微结构进行对比分析。发现纯Si浸渗得到的复合材料残余Si较多,束内纤维受损严重;而浸渗Si-Mo合金可以减少残余Si含量,束内纤维受损轻微,仍保持着完整的C/C亚结构单元。