纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料高导热性能研究进展EI北大核心

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。     

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。     

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。     

连续SiC纤维增强Ti-Al系金属间化合物基复合材料的制备和界面行为

简要叙述了几种主要的Ti-Al系金属间化合物Ti_3Al、TiAl和Al_3Ti的发展状况、性能优缺点以及应用。综述了几种增韧金属间化合物的纤维,对比其他纤维的性能发现连续的SiC纤维具有良好的应用前景。概括了两种连续SiC纤维的不同制备方法,即先驱体转化法和物理气相沉积法,两种不同方法分别得到了束丝SiC纤维和单丝SiC(W或C芯)纤维,并对两种纤维的性能进行了概括。对连续SiC纤维增强Ti-Al系金属间化合物基复合材料的制备方法进行了分析,综述了SiC纤维增强Ti-Al系金属间化合物基复合材料制备过程中纤维与基体的界面反应以及界面性能的改善方法;提出了连续SiC纤维增强Ti-Al系金属间化合物基复合材料发展的方向。     

连续碳化硅纤维增强钛基(SiCf/Ti)复合材料的制备技术及界面特性研究综述

连续碳化硅纤维(SiCf)由于具有比强度、比模量高,耐磨性、热稳定性好等性能优点,常作为增强体制备SiC纤维增强钛基复合材料。与钛合金基体相比,其具有密度更低、强度更高、疲劳蠕变性能大幅提升等优点,但横向性能却明显下降。因此,该类材料常被设计制作成单向增强性部件,广泛应用在航空航天等领域,如发动机的传动轴、整体叶环、盘类及风扇叶片等多种复合材料的结构件。碳化硅纤维增强钛基复合材料的性能主要由碳化硅纤维的性能、基体性能及纤维与基体之间的结合界面性能决定。目前批量生产的SiC纤维性能较差,界面结合状态与复合材料性能之间关系的研究开展较少,还不能为钛基复合材料构件设计提供足够的数据支持。因此,近年来研究者们主要从SiCf/Ti基复合材料力学行为的研究角度出发,探究不同基体及纤维类型、复合材料制备工艺方法、界面特性及产物对SiCf/Ti基复合材料界面结合力及破坏机制的影响,获得了大量有价值的数据,以期开发出成本低、产物稳定性好、可批量生产SiCf/Ti基复合材料的制造工艺方法。目前较为成熟的碳化硅纤维有英国DERA-Sigma公司提供的Sigma系列SiCf及美国Textron公司提供的SCS系列SiCf,后者强度最高达到6 200 MPa。SiCf/Ti基复合材料的制备工艺包括金属箔-纤维-金属箔工艺(FFF)、单层带工艺(MT)、基体-涂层纤维工艺(MCT)等,制备复合材料的工艺根据零部件的用途来定,FFF适用于制备板材等大尺寸构件,MCT适用于制备叶环、轴、管、叶片等复杂结构件。界面是增强体与基体之间的纽带和桥梁,界面结构设计、界面反应控制及反应产物均影响着界面的力学特性。在SiCf/Ti基复合材料的纤维和基体之间添加过渡层能够减缓它们之间的相互扩散及化学反应,过渡层选用反应层和惰性涂层组成的双层涂层较好。界面反应产物受涂层成分、基体组织、复合和热处理工艺、环境因素等的影响,增强纤维及基体性能、优选制备工艺、控制界面反应及产物有利于提高复合材料的力学性能。本文总结了连续SiC纤维(SiCf)增强钛基复合材料的应用研究现状,详述了SiCf/Ti基复合材料的钛合金基体材料、SiCf的种类及性能,SiCf与SiCf/Ti基复合材料的制备方法,分析了SiCf/Ti基复合材料界面结构设计及反应产物,阐明了界面力学特性与复合材料性能的关系,指出国内SiCf/Ti基复合材料发展的重点应放在高性能SiC纤维的研究与开发、界面层设计及界面与性能的关系以及复合材料分析检测手段三个方面,为SiCf/Ti基复合材料的制备及其今后的实际应用提供了参考。     

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.     

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.     

高温结构吸波材料综述

比较了高温背景下各类吸渡材料的特点,确定连续纤维增强陶瓷基复合材料是较理想的高温吸波材料体系.分析了常用陶瓷基复合材料中连续纤维以及陶瓷基体的介电性能,确定连续碳化硅纤维增强碳化硅基(SiG/SiC)复合材料是目前较有前途的高温结构吸波材料.综述了高温结构吸波材料的国内外研究现状,重点介绍了国防科技大学的最新研究进展,最后讨论了高温结构吸渡材料存在的问题.     

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.     

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。     

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。     

SiCf/SiC陶瓷复合材料的研究进展

SiCf/SiC陶瓷复合材料具有良好的力学性能、高温抗氧化性和化学稳定性，是航空航天和原子能等领域理想的新一代高温结构材料。本文概述了增强体SiCt的发展状况及存在的问题，对SiCt/SiC材料的制备工艺、界面相的研究状态、材料的损伤破坏机理和目前的应用研究进展做了综述，并分析了SiCf/SiC陶瓷复合材料的研究重点和发展前景。     

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.     

Faserverstärkte Verbundwerkstoffe

Fibre Reinforced Composite Materials. The basic principles of the reinforcing and stiffening effect of fibers in composite materials as well as the failure behaviour of composites are discussed for composites which are reinforced with unidirectionally arranged continuous fibers, with short fibers and with multidirectionally arranged fibers. The most candidate continuous fiber materials for high performance composites which are presently available such as carbon fibers, boron- and silicon carbide fibers, organic fibers and fiberglass are compared with respect to properties and price. Whiskers are considered to have only very limited significance as reinforcing material. Furthermore the paper presents the most candidate fiber/matrix-combinations such as boron-, carbon-, organic- and glassfiber reinforced polyimide- and phenolic resin, boron- and carbon fiber reinforced aluminium, carbon- and SiC-fiber reinforced glass as well as carbon/carbon composites. The problems of chemical compatibility between fiber and matrix and the mechanical properties of these composites at room temperature and at elevated temperature are shown and discussed.     

核用碳化硅纤维增强碳化硅复合材料研究进展

碳化硅纤维增强碳化硅(SiC_f/SiC)复合材料具有低中子毒性、耐中子辐照和耐高温氧化等特性, 成为先进核能系统重要的候选结构材料。近年来, 国内外学术界和工业界针对核用SiC_f/SiC复合材料开展了大量研究工作, 取得了一系列重要的研究进展。针对SiC_f/SiC复合材料面向核用所关注的重点方向, 如核用SiC纤维、纤维/基体界面相、复合材料制备工艺、数值仿真、腐蚀行为和表面防护、连接技术以及辐照损伤等方面, 本文进行了综述和讨论, 并针对核用要求指出了SiC_f/SiC复合材料存在的主要问题和可能的解决思路, 希望对该材料的进一步研发和最终应用有所裨益。     

碳化硅颗粒增强Al基复合材料的新型制备工艺

综述了碳化硅增强铝基复合材料的几种主要制备工艺,重点阐述了高能超声半固态复合法制备SiCp/Al复合材料.首先用渗流法制备SiC体积分数高的SiCp/Al预制块,进行SiC预分散,然后将预制块加入处于半固态温度条件下的铝合金熔体中,最后导入超声波进行搅拌.此法很好地改善了增强颗粒与基体之间的润湿性,使SiC在基体中均匀...     

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.     

Fabrication of toughened Cf/SiC whisker composites and their mechanical properties

In this paper, dense short carbon fiber reinforced silicon carbide matrix composites had been fabricated by hot-pressed (HP) sintering using Al₂O₃ and La₂O₃ as sintering additives. The results showed that the combination of Al₂O₃ and La₂O₃ system was effective to promote densification of short cut carbon fiber reinforced silicon carbide composites (Cf/SiC). The whisker structure of silicon carbide was formed during the annealed treatment at 2023 K for 1 h. However, it was noted that this structure was not observed in the as-received HP material. The mechanism of forming whisker structure was not clear, but this kind of whisker structure was helpful to improve mechanical properties. The combination of grain bridging, crack deflection and whisker debonding would improve the fracture toughness of the Cf/SiC composites.