利用束丝复合材料对PIP工艺制备2D-SiCf/SiC复合材料力学性能进行表征

为了找到一种能有效对陶瓷基复合材料先驱体浸渍裂解(PIP)工艺参数进行优化的方法,提出利用束丝复合材料对二维复合材料力学性能进行表征的方案.对5种PIP工艺条件制备的束丝以及二维SiCf/SiC复合材料在不同PIP工艺条件下力学性能变化规律进行了研究,并对采用束丝复合材料对二维复合材料力学性能表征的有效性进行了分析.研究表明,束丝复合材料和二维复合材料力学性能随PIP工艺的变化规律完全相同,这是因为两种复合材料界面、纤维损伤等特性基本相同.采用强度比对两种复合材料力学性能一致程度进行了表征,结果表明两者一致性较好,但随PIP工艺复杂程度的提高,两者一致性降低.利用束丝复合材料可以对二维复合材料力学性能进行较好的表征,可对二维等实体复合材料制备工艺进行初步优化,从而使材料工艺设计效率大为提高.     

C/C-SiC-ZrC复合材料的制备及其力学性能

利用浆料浸渗技术将纳米ZrC粒子引入到CFRP先驱体中,裂解CFRP获得C/C-ZrC多孔体,然后采用液硅熔渗反应工艺制备了C/C-SiC-ZrC复合材料。使用SEM和XRD对材料微观形貌和组织进行了观察与分析。采用三点弯曲和单边缺口梁法(SENB)对C/C-SiC-ZrC复合材料的弯曲强度和断裂韧性分别进行了测试。结果表明:采用浆料浸渗技术可以将纳米ZrC粒子均匀的弥散在C/C-ZrC多孔体中,随着引入ZrC纳米粒子含量的增多,C/C-ZrC多孔体孔隙率增大。经液硅熔渗反应后,获得的C/C-SiC-ZrC复合材料具有不同微观组织结构。力学性能测试发现,当纳米ZrC粒子含量为5%(质量分数)时,复合材料弯曲强度和断裂韧性达到了最大值;当ZrC粒子含量超过5%时,其弯曲强度和断裂韧性有所下降,表明适量纳米ZrC粒子的引入,可以改善C/C-SiC-ZrC复合材料的力学性能。     

先驱体转化制备2D Cf/SiC复合材料力学性能

以国产3k JC1#纤维布为增强体,以聚碳硅烷和SiC微粉为先驱体和填料,分别采用热压辅助先驱体转化和先驱体浸渍裂解工艺制备了2D Cf/SiC复合材料.结果表明,热压辅助先驱体转化工艺制备的2D C/SiC复合材料纤维损伤严重,基体较为疏松,材料力学性能很低,弯曲强度和断裂韧性仅为84.3 MPa和6.5 MPa·m1/2.而先驱体浸渍裂解工艺制备的2D C-SiC复合材料纤维损伤较小,具有较好的界面结合,内部孔隙较为均匀,力学性能较好,弯曲强度和断裂韧性分别达到321.6 MPa和17.8 MPa·m1/2.材料具有较好的高温力学性能,1300℃时力学性能有较大幅度的提高,1600℃和1800℃时复合材料力学性能还可以较好地保持.     

PIP工艺制备Cf／SiC复合材料微观结构研究

用N2等温吸附法研究了PIP工艺制备3D Cf／SiC复合材料内部微观结构。结果表明，复合材料内部为多孔结构，孔隙形状多样，平均孔径小于10nm，孔径分布集中，比表面积为3．41m^2／g。结合吸附理论，认为由B．E．T方程及F．H．H方程计算分形维数值分别反映了孔隙表面的粗糙形貌和孔隙分布复杂拓扑结构。与其它试验结果对比发现，受自身机理所限，等温吸附法仅能表征材料内纳米级中微孔，对100nm以上大孔难以测量，因而无法全面表征Cf／SiC复合材料孔隙特征。     

反应热压烧结Al4SiC4/C复合材料

以铝粉、石墨粉和有机物聚碳硅烷(PCS)为原材料,采用预裂解及原位反应热压烧结的方法制备了Al4SiC4/C复合材料.通过XRD、SEM及力学分析等测试手段对材料的结构及性能进行了分析研究.对烧结材料的XRD分析结果表明所加入原材料按设计转化为新相.但组织观察表明两相均存在不同程度的团聚现象.Al4SiC4/C复合材料的力学行能随着Al4SiC4含量的增加而逐渐升高.     

工艺对C/SiC复合材料结构与性能的影响

介绍一种化学气相渗透与先驱体浸渍裂解联用(CVI-PIP)的工艺制备碳毡增强SiC复合材料,采用SEM分析复合材料的显微结构,采用三点弯曲法测试复合材料的力学性能,结果显示在复合材料致密化过程早期,CVI工艺致密化效率明显高于PIP工艺;与完全采用PIP工艺制备C/SiC复合材料相比,采用CVI-PIP工艺可提高复合材料的致密化效率和致密化程度,复合材料残留孔隙率从18.86%下降到5.45%;相应的,C/SiC复合材料的抗弯强度与弹性模量分别从66.43 MPa和38.43 GPa增加到112.16 MPa和68.49 GPa;采用CVI-PIP联用工艺同时能够增加复合材料与其表面CVD涂层的结合性能.     

纳米SiC颗粒增强镁基复合材料半固态搅拌法制备工艺优化

采用半固态机械搅拌铸造法,制备了增强体平均粒径50 nm的Si C颗粒增强镁基复合材料(n-Si Cp/Mg9Al),分别对不同质量分数纳米颗粒、不同搅拌时间和不同搅拌温度时,复合材料的微观组织和力学性能进行了研究。结果表明,随着Si C含量的增加,合金基体组织先细化后又出现变粗的现象,适当延长搅拌时间能更有效地细化组织,在较低温度下搅拌可以更明显地细化复合材料的微观组织。合金抗拉强度随着Si C含量的增加先增加后降低,在Si C含量为1.5%时最好,为198 MPa。在含量为2%时又有所降低,但是高于不加Si C时。搅拌时间为15 min时,复合材料的屈服强度、抗拉强度较之基体分别提高了12.8%、22%,断后伸长率由基体合金的2%提升到4%。继续延长搅拌时间到30 min,材料的室温拉伸性能出现明显恶化。不同搅拌温度下Si Cp/Mg9Al纳米复合材料与铸态Mg9Al合金相比其室温拉伸性能有明显提高,搅拌温度为600℃的Si Cp/Mg9Al纳米复合材料的室温拉伸性能最好,其屈服强度、抗拉强度和断后伸长率分别为106 MPa、155 MPa和4%。     

硅树脂浓度对PIP制备3D C_f/Si-O-C材料性能的影响

以三维碳纤维织物和廉价的硅树脂为原料,采用先驱体转化工艺制备3D C_f/Si-O-C材料,考察了硅树脂浓度对材料微观结构与力学性能的影响.结果表明:随着硅树脂浓度的增加,3D C_f/Si-O-C材料的密度增加,孔隙率下降,材料的弯曲强度增加,当硅树脂浓度达到54.5%时,材料的弯曲强度达到360.6 MPa;而随着硅树脂浓度的进一步增加,材料的密度虽然进一步增加,但弯曲强度和断裂韧性却明显下降,这主要是由于硅树脂浓度过高时,所制备的材料基体与纤维结合较紧,界面结合较差的原因造成的.     

高能球磨法制备SiC/Al复合材料

采用高能球磨法制备了SiC颗粒增强Al基复合材料,研究了SiC含量对该复合材料力学性能的影响。结果表明,SiC/Al复合材料的硬度、屈服强度以及抗拉强度随SiC含量的增加而增大,而伸长率随之减小;SiC/Al复合材料呈延性断裂和脆性断裂混合断裂;随着SiC含量的增加,材料延性断裂特征减少。     

SiC微粉含量对2D-SiC_f/SiC复合材料力学性能影响

对PIP法制备2D-SiC_f/SiC复合材料成形浆料中惰性填料SiC含量对2D-SiC_f/SiC复合材料孔隙率、纤维体积分数以及力学性能影响进行研究.研究表明,SiC微粉含量较低时,浆料粘度过低,导致层间存在较大气孔,纤维体积分数不高,致使复合材料力学性能不佳,当SiC微粉含量过高时,浆料粘度过大,层间基体厚度增加,纤维体积分数下降,并且浸渍效率降低,孔隙率增大,复合材料力学性能下降.当SiC微粉含量为33.3%时,复合材料具有较低的孔隙率和较高的纤维体积分数,复合材料具有较好的力学性能,弯曲强度和断裂韧性分别达到211.7 MPa和8.56 MPa·m~(1/2).     

二维C／SiC复合材料的铆接显微结构与性能研究

将直径为2.5mm,3.4mm,4.5mm,6mm,8mm的2DC/SiC复合材料铆钉和尺寸为φ12.8mm×6.5mm带孔件进行紧配合装配,然后对其沉积SiC,沉积时间300h,最终实现铆接。采用扫描电镜(SEM)及拉伸试验来测试连接情况。结果表明:当铆钉直径小于4.5mm时发生铆钉断裂现象,接头为脆性破坏;当直径大于4.5mm时发生铆钉拔出现象,接头为韧性破坏。但是直径越大被连接复合材料的性能损失越大,因此最佳的铆钉尺寸应稍大于4.5mm。     

Cf/SiC陶瓷基复合材料的制备工艺研究

以先驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备了2D Cf/SiC复合材料,研究了低温裂解工艺(裂解温度低于1000℃)对2DCf/SiC复合材料结构和性能的影响,为Cf/SiC复合材料的低温制备探索可行之路.研究表明,采用900℃裂解工艺制备的复合材料其力学性能达到或高于目前同类工艺制备的2D Cf/SiC复合材料力学性能,其弯曲强度达到329.6 MPa,剪切强度32.1 MPa,断裂韧性14.7 MPa·m1/2.并采用差热(TG-DTA)、红外光谱(IR)、X射线衍射(XRD)等对先驱体聚碳硅烷(PCS)及其低温裂解产物的结构和性能进行了研究.     

Microstructure and mechanical properties of 3D fine-woven punctured C/C composites with PyC/SiC/TaC interphases

The 3D fine-woven punctured C/C-(P_yC/SiC/TaC) composites, composed of P_yC/SiC/TaC interphases and pyrocarbon (PyC) matrix, were synthesized by isothermal chemical vapor infiltration (ICVI) methods. The alternating layers and the structure of these composites were examined by polarized light microscopy (PLM), X-ray diffractometry (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). It is found that the P_yC matrix has rough laminar (RL) structure, the TaC layer has NaCl-type cubic structure, and the SiC layer has few wurtzite type 10H-SiC besides β-SiC structure. The effects of fiber coating and the bulk density on the tensile and flexural properties of composites along X or Y and Z direction were investigated. It is shown that fiber coated 3D woven punctured C/C composites have good tensile and flexural strength, and the maximum of flexural strength is 375 MPa in X or Y direction at density of 1.89 g/cm³, which is about three times higher than that of samples without TaC/SiC fiber coating. The flexural strength and bending strength increase with increasing the density of the composites. The analysis of fracture surfaces reveals that fibers and fiber bundles are pulled out in composites, indicating that the composite exhibits a non-linear failure behavior through propagation and deflection of the cracks.     

先驱体浸渍-裂解法制备Cf/SiC复合材料

采用先驱体浸渍-裂解法制备了Cf/SiC复合材料.重点研究碳纤维类型对复合材料力学性能和断裂行为的影响.研究表明,采用先驱体浸渍-裂解法可制备出致密度较高的Cf/SiC复合材料.由于M40JB纤维的制备温度明显高于T300纤维的制备温度,因此与T300纤维相比,M40JB纤维具有较高的结晶度和较低的表面活性.结果,在复合材料制备过程中,M40JB纤维与基体的界面反应较弱,从而使复合材料呈现韧性断裂,具有较好的力学性能,其抗弯强度和断裂韧性分别为614.4 MPa和18.8 MPa·m1/2.而T300纤维则与基体发生较强的界面反应,导致纤维与基体间的界面结合过强,复合材料表现为脆性断裂.     

先驱体转化2D Cf/SiC复合材料的拉伸行为研究

研究了先驱体转化2D Cf/SiC复合材料的拉伸行为.单向拉伸试验表明,材料的抗拉伸强度、拉伸模量和断裂应变分别为181.45MPa、64.95 GPa和0.744%.通过拉伸加载卸载试验分析了材料的拉伸失效过程,并对拉伸试验的应力应变曲线进行了拟合.结果表明,2D Cf/SiC复合材料拉伸破坏可以分为线弹性变形、基体破坏、纤维断裂和材料整体破坏4个阶段,拟合得到的曲线与试验曲线非常吻合.     

碳界面层制备工艺对SiC_f/SiC材料力学性能的影响

用低压化学气相沉积(LPCVD)法,以丙烯(C_3H_6)为碳源,氮气(N_2)为稀释气制备了2.5维连续碳化硅纤维增韧碳化硅(SiC_f/SiC)复合材料的碳界面层,其厚度为～0.1 mm.研究了不同丙烯含量(体积分数,下同)(60%,50%,45%)对碳层形貌、微观结构及SiC_f/SiC力学性能的影响.结果表明:当C_3H_6含量为60%时,热解碳层表面光滑,石磨化度高;当C_3H_6为50%和45%时,碳层粗糙,有很多较大颗粒存在,石磨化度低.3种复合材料的弯曲强度差别不大,分别为303,311和320 MPa.然而,当C_3H_6含量为60%时,材料韧性断裂,断裂功高;为50%和45%时,材料脆性断裂,断裂功低.不同的纤维拔出滑移阻力是SiC_f/SiC断裂行为不同的原因.     

表面硅化对C/C复合材料组织结构的影响

采用表面固相渗硅工艺在C/C复合材料表面制备SiC涂层 ,研究了制备工艺对涂层和C/C复合材料组织结构的影响。结果表明 :硅化反应时间对C/C复合材料的SiC涂层厚度影响不大 ;C/C复合材料组织中热解碳基体与碳纤维相比 ,更易与Si反应生成SiC ,说明碳纤维的稳定性高于热解碳 ,Si通过界面和材料缺陷扩散深入基体内部。