CVI-GSI工艺制备C/C-SiC复合材料的组成结构与力学性能

采用密度为1.0g/cm~3的C/C素坯,联合化学气相渗透(CVI)和气相渗硅(GSI)2种工艺制备C/C-SiC复合材料,研究CVI C/C-SiC复合材料中间体的密度对CVI-GSI C/C-SiC复合材料物相组成、微观结构及力学性能的影响。结果表明:随着CVI C/C-SiC复合材料中间体密度的增大,CVI-GSI C/C-SiC复合材料C含量增多,残余Si含量减少,SiC含量先增多后减少,CVI-GSI C/C-SiC复合材料的密度先增大后减小;随着CVI C/C-SiC复合材料中间体的密度由1.27g/cm~3增加到1.63g/cm~3时,得到的CVI-GSI C/C-SiC复合材料的力学性能先升高后降低。当CVI C/C-SiC复合材料密度为1.42g/cm~3时,制得的CVI-GSI C/C-SiC复合材料力学性能最好,其弯曲强度为247.50MPa,弯曲模量为25.63GPa,断裂韧度为10.08MPa·m~(1/2)。     

炭基复合材料与人骨的力学性能对比分析

选用3种炭基复合材料,分别为采用化学气相沉积（CVD）工艺和CVD/浸渍复合工艺制备的2种C/C复合材料以及采用CVD/熔融渗硅（MSI）工艺制备的C/C-SiC复合材料,通过对比分析3种炭基复合材料与人骨的微观结构和力学性能,研究了所选用的3种炭基复合材料作为新型骨折内固定材料的可行性。结果表明:3种炭基复合材料与人骨均具有纤维增强、多孔基体的微观结构形态。在力学性能方面,3种炭基复合材料的弹性模量与人骨都较为接近,其中C/C-SiC复合材料的力学性能与人骨最为接近,分别为弯曲强度213.0 MPa、剪切强度19.3 MPa、压缩强度228.1 MPa,有望成为理想的接骨板材料。CVD和CVD/浸渍工艺制备的C/C复合材料,弯曲强度分别仅为161.8 MPa和174.6 MPa,低于人骨的弯曲强度,后期可通过改进坯体结构和制备工艺等方法来使其力学性能与人骨相匹配。      

炭纤维增强C/SiC双基体复合材料的制备及性能(英文)

以针刺炭纤维整体毡为预制体,联用化学气相沉积法与熔融渗硅法制得炭纤维增强C/SiC双基体(C/C-SiC)复合材料;研究了C/C-Si材料的显微结构、力学性能和不同制动速度下的摩擦磨损性能及机理。结果表明:C/C-SiC材料具有适中的纤维/基体界面结合强度,弯曲强度和压缩强度分别达240MPa和210MPa,具有摩擦系数高(0.41～0.54),磨损小(0.02cm3/MJ),摩擦性能稳定等特点.随着制动速度提高,C/C-Si材料的摩擦磨损机制也随之变化:在低速制动条件下主要表现为磨粒磨损;中速时以黏着磨损为主;高速时以疲劳磨损和氧化磨损为主。     

(C-SiC)f/C复合材料的烧蚀性能

将SiC纤维毡与C纤维毡交替层叠, 通过针刺工艺制备(C-SiC)_f/C预制体, 采用化学气相渗透与前驱体浸渍裂解复合工艺(CVI+PIP)制备(C-SiC)_f/C复合材料, 研究(C-SiC)_f/C复合材料H₂-O₂焰烧蚀性能。利用SEM、EDS和XRD对烧蚀前后材料的微观结构和物相组成进行分析, 探讨材料抗烧蚀机理。结果表明: (C-SiC)_f/C复合材料表现出更优异的耐烧蚀性能。烧蚀750 s后, (C-SiC)_f/C复合材料的线烧蚀率为1.88 μm/s, 质量烧蚀率为2.16 mg/s。与C/C复合材料相比, 其线烧蚀率降低了64.5%, 质量烧蚀率降低了73.5%; SiC纤维毡在烧蚀中心区表面形成的网络状保护膜可以有效抵御高温热流对材料的破坏; 在烧蚀过渡区和烧蚀边缘区形成的熔融SiO₂能够弥合材料的裂纹、孔洞等缺陷, 阻挡氧化性气氛进入材料内部, 使材料表现出优异的抗烧蚀性能。     

ZrB2-SiC复相陶瓷涂层制备及其保护C/C-SiC复合材料性能

为提高C/C-SiC复合材料的超高温抗烧蚀性能,通过浆料涂刷和高温烧结相结合的方法在C/C-SiC复合材料表面制备了ZrB₂-SiC复相陶瓷涂层,利用EDS、SEM对涂层的成分及微观形貌进行了分析。对涂层材料的力学性能和抗烧蚀性能进行了表征,结果表明：制备的ZrB₂-SiC复相陶瓷涂层保护C/C-SiC复合材料的拉伸强度、弯曲强度及剪切强度分别为147 MPa、355 MPa和21.9 MPa,与无涂层保护的针刺C/C-SiC复合材料的力学性能相比略有下降。涂层材料具有良好的抗氧化烧蚀性能,经过热流密度为3 200 kW/m²的氧乙炔火焰烧蚀600 s试验,其线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.001 mm/s和0.0006 g/s。     

高性能制动系统用炭纤维增强炭和SiC双基体(C/C-SiC)复合材料

C/C-SiC制动材料具有密度低、耐高温、制动平稳、摩擦因数高、磨损少和环境适应性强等优点,是一种能满足高速高能载制动的高性能轻质材料。本文以针刺炭纤维整体毡为预制体,采用化学气相渗透法制备C/C多孔体,然后熔融渗硅制得C/C-SiC材料;研究了C/C-SiC材料的组织结构、力学性能及其失效模式、摩擦磨损性能及机理,同时介绍了中南大学研制的C/C-SiC制动材料的应用现状。     

烧蚀时间对C/C-SiC复合材料高超声速富氧环境烧蚀机制的影响

为了研究烧蚀时间对C/C-SiC复合材料在高超声速富氧环境下烧蚀机制的影响规律,采用富氧环境下的高超声速烧蚀试验技术,对“化学气相渗透+先驱体浸渍裂解”混合工艺制备的针刺C/C-SiC复合材料动态烧蚀机制进行研究,并采用电子扫描显微镜观察烧蚀表面形貌。研究表明:在极端苛刻的高超声速富氧烧蚀环境下,C/C-SiC复合材料能够短时抵抗高温、高压、高超声速燃气射流的氧化工作环境。材料经高超声速富氧烧蚀10 s、20 s、30 s、40 s及50 s后的质量烧蚀率分别为0.021 g/s、0.025 g/s、0.027 g/s、0.026 g/s与0.034 g/s。C/C-SiC复合材料在高超声速富氧环境下的动态烧蚀行为主要受热化学烧蚀与机械剥蚀两种烧蚀机制共同作用。在初始阶段,SiO₂保护膜的存在有效阻止了氧化性组分向基体内部的扩散,仅材料中心区域存在轻微热化学烧蚀;烧蚀试验中期,材料的烧蚀主要表现为热化学烧蚀与机械剥蚀联合作用,并由热化学烧蚀向机械剥蚀呈渐变性转变;烧蚀试验后期,基体的深度反应使得材料的烧蚀主要表现为纤维与基体的大面积片状剥落。      

ZrC改性C/C-SiC复合材料的力学和抗烧蚀性能

采用碳纤维针刺预制体, 用前驱体浸渍裂解(PIP)法分别制备了C/C-SiC和C/C-SiC-ZrC陶瓷基复合材料, 并对材料的微观结构、力学和烧蚀性能进行了分析对比。结果表明:利用该方法可制备出陶瓷相填充充分且分布均匀的复合材料。C/C-SiC-ZrC的面内弯曲强度、厚度方向的压缩强度、层间剪切强度均低于对应的C/C-SiC的。2 200 ℃、600 s氧化烧蚀后, C/C-SiC-ZrC的抗烧蚀性能显著优于C/C-SiC, 其线烧蚀率下降43.8%, 质量烧蚀率下降25%。在超高温阶段, C/C-SiC-ZrC复合材料基体的ZrC氧化生成的ZrO₂溶于SiC氧化生成的SiO₂中, 形成黏稠的二元玻璃态混合物, 有效阻止了氧化性气氛进入基体内部。      

Preparation, Properties and Application of C/C-SiC Composites Fabricated by Warm Compacted-in situ Reaction

Carbon fibre reinforced carbon and SiC dual matrices composites (C/C-SiC) show superior tribological properties, high thermal shock resistance and good abrasive resistance, and they are promising candidates for advanced brake and clutch systems. The microstructure, mechanical properties, friction and wear properties, and application of the C/C-SiC composites fabricated by warm compacted-in situ reaction were introduced. The results indicated that the composites were composed of 50-60 wt pct carbon, 2-10 wt pct residual silicon and 30-40 wt pct silicon carbide. The C/C-SiC brake composites exhibited good mechanical properties. The value of flexural strength and compressive strength could reach 160 and 112 MPa, respectively. The impact strength was about 2.5 kJ·m^-2. The C/C-SiC brake composites showed excellent tribological performance, including high coefficient of friction (0.38), good abrasive resistance (1.10 μm/cycle) and brake steadily on dry condition. The tribological properties on wet condition could be mostly maintained. The silicon carbide matrix in C/C-SiC brake composites improved the wear resistance, and the graphite played the lubrication function, and right volume content of graphite was helpful to forming friction film to reduce the wear rate. These results showed that C/C-SiC composites fabricated by warm compacted-in situ reaction had excellent properties for use as brake materials.     

Rapid densification of C/SiC composites by joint processes of CLVD and PIP

C/SiC composites were prepared by joint processes of chemical liquid–vapor deposition (CLVD) for 3 h and Precursor Infiltration and Pyrolysis (PIP) for 5 cycles, with a density of 1.97 g/cm³, a flexural strength of 297 ± 26 MPa and a preparation period of only 10 days. CLVD process combines the advantages of both continual vapor deposition of chemical vapor infiltration process and high liquid infiltration efficiency of PIP process, thus in 3 h the composite reaches a density of 1.75 g/cm³. SiC matrix in CLVD process prefers to deposit into small pores in bundles, while in PIP process into large pores between bundles and layers, thus a homogeneous structure is quickly obtained by joint processes. Furthermore the composite by CLVD process usually shows density gradient during the deposition front propagation, and post PIP process which is not sensitive with thickness, makes up this drawback.     

热结构复合材料的低成本制备(高效、低成本、快速制备C/C、C-SiC系列热结构复合材料)

介绍了化学气相渗Ｃ／Ｃ材料在国内外的发展状况,指出落后的工艺技术阻碍了我国Ｃ／Ｃ产业的发展。金属所发明的化学气相渗新技术－ＨＣＶＩ能低成本快速制备Ｃ／Ｃ、Ｃ－ＳｉＣ系列热结构复合材料。该方法是在热梯度法基础上,利用电磁耦合原理使反应气体中间产物在变电磁场作用下更加活泼、碰撞几率增多,从而增加了沉积速率。试验证明采用这种新工艺制备了这种新工艺制备Ｃ／Ｃ材料沉积速率提高了３０～５０倍,该方法特别适合制     

熔融渗硅法制备C/C-SiC复合材料的研究进展

综述了熔融渗硅法制备C/C-SiC复合材料的国内外研究和应用现状,重点分析了碳纤维预制体和C/C多孔体的制备,以及熔融渗硅过程对C/C-SiC复合材料性能和结构的影响,介绍了C/C-SiC复合材料作为热结构和摩擦材料在航空航天和先进摩擦制动系统中的应用,提出了C/C-SiC复合材料制备过程中存在的问题和今后研究的重点.     

液硅渗透法制备Ti3SiC2改性C/CSiC复合材料

采用浆料浸渗结合液硅渗透法原位生成高韧性Ti₃SiC₂基体, 制备Ti₃SiC₂改性C/C-SiC复合材料。研究了TiC颗粒的引入对熔融Si浸渗效果的影响, 分析了Ti₃SiC₂改性C/C-SiC复合材料的微结构和力学性能。实验结果表明: TiC与熔融Si反应生成Ti₃SiC₂是可行的, 而且C的存在更有利于生成Ti₃SiC₂; 在含TiC颗粒的C/C预制体孔隙(平均孔径22.3 μm)内, 熔融Si的渗透深度1 min内可达10.8 cm; Ti₃SiC₂取代残余Si后提高了 C/C-SiC复合材料的力学性能, C/C-SiC-Ti₃SiC₂复合材料的弯曲强度达203 MPa, 断裂韧性达到8.8 MPa·m1/2; 对于厚度为20 mm的试样, 不同渗透深度处材料均具有相近的相成分、 密度和力学性能, 无明显微结构梯度存在, 表明所采用的浆料浸渗结合液硅渗透工艺适用于制备厚壁Ti₃SiC₂改性C/C-SiC复合材料构件。      

中间热处理对薄壁C/CSiC构件制备及力学性能的影响

采用“化学气相渗透法+先驱体浸渍裂解法”（CVI+PIP）混合工艺制备了薄壁C/C-SiC复合材料构件,研究了C/C多孔体的热处理对C/C-SiC构件密度、变形量及力学性能的影响。研究结果表明：中间热处理可提高C/C的开孔率,有利于SiC的渗入,制备出密度较高的C/C-SiC复合材料构件;中间热处理对构件的层间剪切性能影响不大,但影响构件面内拉伸强度和整体承压性能;中间热处理会导致薄壁C/C-SiC构件在内外径和高度方向发生变形;合适的热处理温度（1600~1800℃）使C/C-SiC构件界面结合强度适中,面内拉伸强度及整体承压性能有了极大的提高;而较高的热处理温度（2100~2300℃）使碳纤维强度下降,使构件拉伸强度及整体承压性能大幅下降。     

化学气相反应法制备SiC涂层对C/C复合材料力学性能影响

采用化学气相反应法在C/C复合材料表面制备了SiC涂层,利用X射线衍射仪、扫描电镜及能谱等分析手段研究了涂层的形貌和结构,并采用三点弯曲试验研究了材料的力学性能,讨论了SiC涂层及制备工艺对复合材料断裂行为的影响.结果表明:涂层后材料的弯曲强度和最大断裂位移明显增大.未涂层C/C复合材料的平均弯曲强度为172.4MPa,而涂层后C/C复合材料的平均弯曲强度为239.8MPa,弯曲强度提高了39.1%.涂层试样强度的提高主要与制备过程中部分蒸气扩散渗透反应引起的界面强化及SiC颗粒的增强作用有关.此外,涂层后材料的断裂模式未发生明显转变,断裂过程中试样表现出一定的假塑性和韧性断裂特征.     

碳-高硅氧纤维增强C-SiC防热隔热一体化材料

制备了一种新型的防热隔热一体化材料碳高硅氧纤维增强C-SiC复合材料，沿厚度方向从抗烧蚀层渐次过渡到隔热层，其组成依次是致密C／C—SiC，致密C／C，多孔C／C，通过界面处过渡到变密度多孔HSF／C．这种材料既具有抗烧蚀性能又具有隔热性能．C／CSiC复合材料的烧蚀表面平滑，线烧蚀率只有0．028mm／s．烧蚀性能的提高得益于SiC颗粒原位氧化生成SiO2黏附在碳材料表面，对氧气有一定的阻挡遮蔽作用。密度为0．80g／cm^3的HSF／C材料，热导率为0．59W／mK．在碳纤维与高硅氧织物的界面处，针刺纤维与热解碳的结合良好，密度为1．69g／cm^3的C—HSF／C复合材料界面处的剪切强度达到16．7MPa．     

碳化硅纳米纤维改性C/C复合材料的力学性能

以电镀Ni颗粒为催化剂,采用催化化学气相沉积(CCVD)法,在单向炭纤维(CF)表面原位生长碳化硅纳米纤维(SiCNF),制备出SiCNF/CF共增强毡体。以此共增强毡体为前驱体,化学气相沉积碳后得到密度为1.7g/cm3的SiCNF改性C/C复合材料。复合材料力学性能测试表明,SiCNF改性可使C/C复合材料的抗弯强度、抗压强度和显微硬度明显提高。扫描电子显微镜和偏光显微镜观察表明,SiCNF改性处理改变了C/C复合材料中基体炭的结构,使其成为类似粗糙层(RL)或高织构的结构。     

CVR法抗氧化处理对炭/炭复合材料氧化行为的影响

采用化学气相渗透 (CVI)炭和硅蒸汽与碳直接反应的化学气相反应法(CVR) 相结合,制备了针刺炭布C/C/SiC复合材料,研究了材料的氧化性能及氧化形貌。结果表明:制备的密度为2.47g/cm3、开孔率为2.2%的C/C/SiC材料经1160℃、65min氧化后,失重率仅为2.6%;而同结构C/C材料相同条件下失重率高达32%。但当所制备的材料密度较低 ( 1.81g/cm3)、开孔率较高 (7.1%) 时,由于其无法形成连续SiO₂保护膜,氧化从纤维与基体界面开始,表现出与C/C材料相类似的氧化过程。      

Fabrication of SiCf/SiC composites by chemical vapor infiltration and vapor silicon infiltration

Three-dimensional (3D) silicon carbide fiber reinforced silicon carbide matrix (SiC_f/SiC) composites, employing KD-1 SiC fibers (from National University of Defense Technology, China) as reinforcements, were fabricated by a combining chemical vapor infiltration (CVI) and vapor silicon infiltration (VSI) process. The microstructure and properties of the as prepared SiC_f/SiC composites were studied. The results show that the density and open porosity of the as prepared SiC_f/SiC composites are 2.1 g/cm³ and 7.7%, respectively. The SiC fibers are not severely damaged during the VSI process. And the SiC fibers adhere to the matrix with a weak interface, therefore the SiC_f/SiC composites exhibit non-catastrophic failure behavior with the flexural strength of 270 MPa, fracture toughness of 11.4 MPa·m^1/2 and shear strength of 25.7 MPa at ambient conditions. Moreover, the flexural strength decreases sharply at the temperature higher than 1200 °C. In addition, the thermal conductivity is 10.6 W/mk at room temperature.     

薄层化碳布缝合碳/碳复合材料制备与性能

为获得高性能、低成本碳/碳复合材料,以商用级T700大丝束薄层化碳纤维展宽平纹布和航空航天级T300小丝束碳纤维缎纹布为原材料制备缝合预制体,采用化学气相沉积工艺方法制备了一系列缝合碳/碳复合材料,对材料的气相致密化特征、微观结构特征和力学性能进行了测试与分析。研究结果表明,碳布规格和缝合间距对材料气相致密化效果和力学性能有较大影响。当选用T700-12 K、展宽16 mm大丝束纤维编织的面密度100 g/m2的平纹布为原材料且预制体缝合间距为5 mm×5 mm时,制备的密度为1.781 g/cm3薄层化碳布缝合碳/碳复合材料表现出良好的气相沉积工艺适应性和优异的力学性能,材料拉伸强度、压缩强度、弯曲强度和层间剪切强度高达342.9 MPa、285.5 MPa、328.4 MPa和15.2 MPa。通过商用级大丝束薄层化碳纤维的应用,大幅降低了高性能碳/碳复合材料的原材料成本,且制备的碳/碳复合材料性能达到了国际先进水平。