C/SiC陶瓷基复合材料研究与应用现状

碳纤维增强碳化硅(C/SiC)陶瓷基复合材料具有低密度、高强度、耐高温、耐磨等综合性能，已成为重要的热结构材料体系之一，目前已成功应用于航空发动机热结构部件、飞行器热防护系统、制动系统以及核结构部件等。本文主要综述了C/SiC陶瓷基复合材料在制备方法和应用领域的研究进展，介绍了一系列具有代表性的C/SiC复合材料的制备方法，重点关注多种制备方法相结合的混合工艺，概述了C/SiC复合材料在航空航天热结构和热防护、刹车材料、空间相机结构等领域的应用，展望了更优异的混合制备工艺以及针对不同应用要求的复合材料新体系，以便为今后C/SiC陶瓷基复合材料的进一步研究提供参考。     

3D-C_f/SiC陶瓷基复合材料研究进展

三维碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(3D-Cf/SiC)因其各种优异性能已在各领域广泛应用。针对国内外研究现状,总结了三维编织复合材料特性、3D-Cf/SiC的最新制备工艺与界面问题以及Cf/SiC作为高温热结构材料和支撑结构材料的应用现状。最后展望了3D-Cf/SiC的发展趋势并指出对3D-Cf/SiC的研究将一直是碳化硅陶瓷基复合材料界研究的重点和难点。     

碳/碳化硅陶瓷基复合材料的研究及应用进展

碳/碳化硅(C/SiC)陶瓷基复合材料是重要的热结构材料体系之一.综述了近年来发展的有关制备C/SiC陶瓷基复合材料的各种技术及其在航空航天、光学系统、空间技术、交通工具(刹车片、阀)、能源技术等领域的应用,展望了可应用于玻璃工业中的纳米碳颗粒与亚微米碳化硅复合的陶瓷基复合材料制备工艺,可拓宽该陶瓷基复合材料的应用领域.     

纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料高导热性能研究进展

作为一种先进的高温结构及功能材料,高效传热和高温耐热相结合对纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(silicon carbide matrix composites, SiC CMC)在热管理领域(thermal management, TM)中的应用至关重要。常见的纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料,如碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(C_f/SiC或C_f/C-SiC)、碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC_f/SiC)等,增强纤维的石墨化程度较低,难以形成有效的热输运网络。本文综述了纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料制备及高导热性能等方面的最新研究进展。可通过引入高导热相、优化界面结构、粗粒化碳化硅晶体、设计预制体结构等方式提高纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的热输运能力。此外,展望了纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料发展趋势,即综合考虑影响高导热碳化硅陶瓷基复合材料性能要素,灵活运用复合材料结构与性能的构效关系,以期制备尺寸稳定、性能优异的纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。     

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.     

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.     

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.     

聚合物先驱体溶液浸渍/裂解法制备3D C/SiC CMC的结构与性能

一、前言 连续纤维增强的SiC/SiC和C/SiC陶瓷基复合材料(CMC)由于具有高强、高模,低密度、良好的韧性,抗热震和良好的高温稳定性等一系列优点。目前国内外在高温结构材料方面正在竞相开发。除了一维和二维织物增强的CMC外,近年来由于三维编织技术的进步,3DCMC也开始得到研究。与1D,2D CMC相比,由于三维纤维交叉排列组成的整体网络结构,不仅可以显著改善其径向力学性能,提供复合材料的结构韧性机制,使其径向强度和韧性进一步提高,而且还可以仿形(nearnet shape)编织,从而使高温复合材料可直接成型为勿需机械加工的异形结构部件。目前制备3D CMC的方法主要有泥浆浸渍法和CVI法,泥浆浸渍法主要只用于玻璃基或玻璃陶瓷基,CVI法可用于制备各种氧化物和非氧化物陶瓷基,但设备复杂,工艺周期长。 聚合物先驱体转化法制备CMC由于具有工艺简单,成型温度低等优点,最近受到国内外重视但用此法制备3D CMC尚未见报道。 本文主要借鉴制备3D C/C复合材料的成功经验,探讨了采用聚合物先驱体溶液浸渍法制备3D C/SiC的方法,初步研究了3D C/SiC的结构与性能特点。     

空间反射镜新材料研究进展

传统的反射镜材料已满足不了反射镜大口径超轻量化的发展要求。碳纤维复合材料因其出众的性能优势,必将成为未来反射镜材料领域中的重要一员。综述了碳纤维增强SiC复合材料(C/SiC)、碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)、碳纤维增强碳基体复合材料(C/C)这3种具有巨大潜力的反射镜材料,并重点论述了这3种材料的性能特点、应用现状、制备方法及技术瓶颈等问题。最后展望了碳纤维复合材料在反射镜领域的发展前景。     

SiC陶瓷基片的烧结工艺与SiC_p/Al复合材料的制备方法

概述了电子封装基片材料的基本性能要求;讨论了SiC陶瓷基片常用的4种烧结工艺,即常压烧结、热压烧结、反应烧结和放电等离子烧结;介绍了SiCp/Al复合材料的制备方法,即搅拌铸造法、无压渗透法、喷射沉积法、粉末冶金法;据此进一步提出了SiC陶瓷基片材料的发展方向。     

残余相和烧结温度对碳化硅陶瓷抗混酸腐蚀特性的影响

本工作主要研究了残余相和晶粒尺寸对碳化硅的抗混酸(HF-HNO₃)腐蚀特性。通过不同的烧结方法(固相烧结、液相烧结、反应烧结)制备出残余相不同的碳化硅材料。结果表明: 与液相烧结碳化硅(LPS SiC)和反应烧结碳化硅(RB SiC)相比, 固相烧结碳化硅(SSiC)具有更好的腐蚀抗性, 这是由于残余相石墨的抗腐蚀性强, 以及残余相在材料中形成不能相互联通的岛状结构。通过调节碳化硅的烧结温度, 可以影响材料中的晶粒尺寸, 研究结果发现相同烧结温度下随着残余相含量的增加, 材料腐蚀失重线性增加, 对曲线进行线性拟合, 其Y轴截距的绝对值代表不含碳的试样在该烧结温度下的腐蚀失重。研究表明随着烧结温度由2100℃升高到2160℃, 晶粒尺寸由2 μm增加到6 μm。此时其Y轴截距的绝对值分别为9.22(2100℃), 5.81(2130℃), 0.29(2160℃), 表明晶粒尺寸的增加有利于提高材料的抗腐蚀能力。     

碳化硅/碳化钨硬面密封摩擦副的摩擦磨损性能和机理研究

实验研究了干摩擦和水润滑条件下, 常压固相烧结碳化硅陶瓷(SSiC)及常压液相烧结碳化硅陶瓷(LPSiC)分别与碳化钨(WC)组成的硬面配对摩擦副的滑动摩擦磨损性能。在干摩擦条件下, 与LPSiC/WC摩擦副相比, SSiC陶瓷由于具有更大的晶粒尺寸和硬度, 导致SSiC/WC摩擦副具有更大的摩擦系数和更小的磨损量。磨损区域的SEM形貌结合面扫描分析、微区XRD分析结果表明: 微犁沟和微断裂导致SiC陶瓷的磨损, 疲劳损伤导致WC材料的磨损, 而摩擦过程产生的摩擦热导致磨出的WC颗粒氧化成无定型WO₃。在水润滑条件下, 与SSiC/WC摩擦副相比, LPSiC/WC摩擦副具有更大的摩擦系数和更低的磨损率。在干摩擦和水润滑条件下, 与SiC陶瓷作为动摩擦副配对相比, SiC陶瓷作为固定摩擦副的摩擦配对具有更小的摩擦系数和质量损失。     

含先驱体聚合物浆料浇注成型制备SiC多孔陶瓷

采用SiC粉体与聚碳硅烷(PCS)为原料浇注成型低温烧结制备SiC多孔陶瓷,研究了PCS含量对SiC多孔陶瓷性能的影响。结果表明,PCS含量大于2wt%时可浇注成型,PCS经烧结后生成裂解产物将SiC颗粒粘结起来。所得SiC多孔陶瓷孔径呈单峰分布、孔径分布窄、热膨胀系数低、烧结过程中线收缩率小。随着PCS含量的增大烧成SiC多孔陶瓷的孔隙率降低,但强度显著提高。PCS含量为6wt%时多孔陶瓷的孔隙率、弯折强度和线收缩率分别为36.2%、33.8MPa和0.42%。     

Mechanical Properties of Solid‐Sintered Porous Silicon Carbide Ceramics

The freeze‐drying combining solid sintering is a good method to fabricate porous SiC ceramics with good high temperature mechanical properties. Though SiC ceramics are sintered at a high temperature of 2150 °C, there are still large quantity of macropores generated by sublimating large ice crystals and micropores in the ceramic wall caused by small ice crystals sublimating, SiC particles stacking, and burning out of polyvinyl alcohol (PVA). The content of PVA affects the microstructure and strength. As increasing the content of PVA, the size of pores caused by sublimating the ice crystals decreases while both open porosity and room temperature strength increase. After being treated at a temperature of 1200 and 1500 °C, the ceramics exhibit good thermal shock damage resistance.     

Removal Behaviors of Different SiC Ceramics during Polishing

Comparative experiments were conducted to reveal the removal behaviors of three kinds of silicon carbide (SiC) ceramics during polishing and the effects of ceramic microstructure on the surface quality were also reported. Experimental results show that the second phase in SiC ceramics plays an important role in the surface quality when its size is large enough. The surface quality is enslaved to the formation of steps at interfaces between second phase and SiC matrix that results from different elastic modulus and hardness between two phases. Under 3 μm abrasive grains polishing condition, different SiC ceramics show different removal mechanisms. With decreasing abrasive grain size, all of different SiC ceramics exhibit a ductile removal mode, which decreases surface roughness effiently.     

Effects of microstructure on flexural strength of biomorphic C/SiC composites

Biomorphic C/SiC composites were fabricated from different kinds of wood by liquid silicon infiltration (LSI) following a two-step process. In the first-step, the wood is converted into carbon preforms by pyrolysis in a nitrogen atmosphere. The carbon preforms are then infiltrated by silicon melt at 1,560°C under vacuum to fabricate C/SiC composites. The mechanical properties of the C/SiC composites were characterized by flexural tests at ambient temperature, 1,000, and 1,300°C, and the relationship between mechanical properties and microstructure was analyzed. The flexural strength of the biomorphic composites was strongly dependent on the properties of the carbon preforms and the degree of silicon infiltration. The flexural strength increased with increasing SiC content and bulk density of composite, and with decreasing porosity in the C/SiC composite. An analysis of fractographs of fractured C/SiC composites showed a cleavage type fracture, indicating brittle fracture behavior.     

SiC对烧结堇青石材料性能的影响

以高岭土、滑石和工业氧化铝为矿物原料烧结制备了堇青石陶瓷,通过X射线衍射仪、扫描电镜、万能材料试验机和热膨胀仪等测试手段,研究了添加不同含量SiC对烧结堇青石陶瓷相组成和性能的影响,并比较了添加不同颗粒尺寸的SiC对烧结陶瓷强度的影响。试验表明,随着SiC添加量的增加,堇青石陶瓷的弯曲强度、致密度和热膨胀系数逐渐增大。当添加SiC的质量分数为5%、粒径为5.0μm时,烧结堇青石陶瓷的强度较未添加时增大了41.9%,而热膨胀系数的增幅不大。     

硅源对植物纤维制备SiC纤维的影响

将植物纤维转化为陶瓷是一种新型的、极具发展潜力的多孔陶瓷制备方法。本研究探索了将植物纤维转化为多孔SiC纤维的方法, 并分析了硅源对其反应产物的影响。结果表明, 由于密度效应, 气相硅陶瓷化相比液相而言, 具有更慢的反应速率, 表面所含的杂质也更少, 而且具有更可控的反应过程、更高的力学强度等优势。不同种类的硅源对反应速率、反应所需温度和产物的晶粒尺寸都有一定的影响, 研究发现SiO是一种较为理想的硅源物质。     

SiC陶瓷的冲蚀磨损耐磨性

研究了无压（ＰＬ），热压（ＨＰ）、热等静压（ＨＩＰ）烧结ＳｉＣ陶瓷的室温冲蚀磨损行为。热等静压ＳｉＣ陶瓷具有良好的综合力学性能和细致的组织结构，其冲蚀磨损耐磨性比无压的热压烧结ＳｉＣ陶瓷要好。     

木材陶瓷化反应机理的研究

研究了木材制备ＳｉＣ陶瓷的反应过程及熔融硅与多孔木炭反应的机理．结果表明,木材制得的ＳｉＣ陶瓷的最终组织取决于渗硅处理温度．较低温度下形成碳化硅多孔材料,较高温度下形成 Ｓｉ／ＳｉＣ复相致密材料．分析指出,木材制备 ＳｉＣ陶瓷中 Ｓｉ／Ｃ反应的大致过程为：熔融硅沿木炭毛细管壁上升,同时与接触的碳反应形成碳化硅,碳化硅层不断向碳层推进直至多孔碳骨架完全转化为碳化硅．生成的碳化硅在反应后期会发生再结晶,最终组织形态表现为多边形大颗粒碳化硅分布在自由硅基体上．