不同先驱体制备C/SiC复合材料及其浸渍行为

采用先驱体浸渍裂解工艺(PIP工艺)制备C/SiC复合材料, 研究了不同先驱体对复合材料浸渍行为的影响(三种先驱体分别为固态聚碳硅烷(PCS(s))、液态聚碳硅烷Ⅰ(PCS-Ⅰ(l))和液态聚碳硅烷Ⅱ(PCS-Ⅱ(l)), 制备的三种复合材料体系分别为C/SiC-0、C/SiC-Ⅰ和C/SiC-Ⅱ)。结合C/SiC复合材料的力学性能以及不同裂解周期C/SiC复合材料的微观形貌, 研究了不同先驱体制备的C/SiC复合材料对碳纤维织物浸渍行为的影响。研究结果表明: C/SiC-Ⅰ复合材料的室温弯曲强度最高, 达到336 MPa。不同裂解周期的微观形貌显示, C/SiC-0复合材料内部孔隙分布于碳纤维束间; C/SiC-Ⅰ复合材料内部较致密, 孔隙分布均匀; C/SiC-Ⅱ复合材料基体和束丝内部都存在孔隙, 说明三种聚碳硅烷浸渍液对C/SiC复合材料有不同的浸渍效果。凝胶渗透色谱(GPC)的分析结果显示, 由于浸渍液的分子量不同, 大分子无法浸渍到碳纤维束丝内部, 会造成裂解后的复合材料束内SiC基体较少, 造成其力学性能较低。     

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。     

C/SiC复合材料的常压制备与性能研究

采用聚碳硅烷作为碳化硅先驱体, 以二维0°/90°正交编织碳布叠层后作为增强体, 采用真空压力浸渍的方法制备了C/SiC复合材料, 研究了裂解温度和浆料浓度对复合材料性能的影响. 结果表明: 复合材料的弯曲强度随着裂解温度的升高以及浆料浓度的增加都呈增加趋势; 基体在纤维束内部分布均匀, 但依然有一些小气孔存在; 在1100℃时, 基体中开始生成一定量的β-SiC相, 复合材料的三点弯曲强度达到232MPa, 断裂韧性达到10.50MPa·m^1/2. 在断裂过程中表现出明显的韧性断裂, 断口有较长的纤维拔出.     

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.     

浸渍浆料对先驱体转化C_f/SiC复合材料结构及性能的影响

采用先驱体转化法,以聚碳硅烷/二甲苯、聚碳硅烷/二甲苯/碳化硅粉、聚碳硅烷/交联剂三种浆料体系分别浸渍增强体,裂解制备Cf/SiC复合材料,考察了浸渍浆料体系对Cf/SiC复合材料的结构和性能的影响。研究发现:聚碳硅烷/交联剂浆料制备复合材料所需周期最短,9个周期即可制得密度达1.78g.cm-3、开孔率为4.95%的复合材料;聚碳硅烷/二甲苯/碳化硅粉制备的复合材料密度最大,达1.87g.cm-3,并且制备的复合材料表面平整光洁;聚碳硅烷/二甲苯浆料制备的Cf/SiC复合材料力学性能最好,弯曲强度达455.9MPa,模量达90.6GPa,断裂韧性达18.9MPa.m1/2。研究结果表明,三种常用的浸渍浆料制备的复合材料各有其优点,在各个浸渍周期合理的选用浆料能有效的改善材料结构及性能。     

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.     

C/SiC复合材料的低温制备工艺研究

陶瓷基复合材料制备温度过高一直是制约其引入主动冷却工艺、突破其本征使用温度的主要原因之一。采用差热(TG-DTA)、红外(IR)、X射线衍射(XRD)等分析测试手段,研究了聚碳硅烷(Polycarbosilane,PCS)的裂解及化学转化过程,从理论上说明了先驱体聚碳硅烷(PCS)低温(1000℃)陶瓷化的可行性。结果表明:聚碳硅烷在750℃实现无机化,880℃开始结晶,即聚碳硅烷在高温合金耐受温度范围(1000℃)内,即可实现陶瓷化。以聚碳硅烷(PCS)为先驱体,炭纤维为增强体,采用先驱体浸渍裂解(PIP)工艺低温制备了炭纤维增强碳化硅(C/SiC)陶瓷基复合材料,当制备温度为900℃时,所制备C/SiC复合材料密度为1.70g/cm3,弯曲强度达到657.8MPa,剪切强度为61.02MPa,断裂韧性为22.53MPa.m1/2,并采用扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的微观形貌进行了分析。     

SiCf/SiC复合材料的制备与力学性能

分别采用先驱体裂解-热压和先驱体浸渍-裂解方法制备出了SiCf/SiC复合材料.重点探讨了不同制备工艺对复合材料纤维/基体间界面和断裂行为的影响.研究表明,采用先驱体裂解-热压工艺制备复合材料时,虽然烧结液相可以促进复合材料的致密化,但其同时导致纤维与基体间的界面结合强以及纤维本身性能的退化,因此复合材料表现为脆性断裂,具有较低的力学性能.而采用先驱体浸渍-裂解法制备复合材料时,由于致密化温度较低,复合材料中纤维与基体的界面结合较弱,而且纤维的性能保留率较高,因此,纤维能够较好地发挥补强增韧作用,复合材料具有较好的力学性能,其抗弯强度和断裂韧性分别为703.6MPa和23.1Pa.m1/2.     

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。     

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。      

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。      

干法纺丝法制备低氧含量SiC纤维

通过粘度、凝胶含量和XRD等手段研究了聚碳硅烷(PCS)纺丝原液的干法纺丝性能和干纺PCS纤维的自交联过程, 并对所制得的低氧含量SiC纤维的组成、结构和性能进行了表征. 结果表明, PCS/二甲苯纺丝原液的最佳纺丝粘度范围在18.0～22.0Pa·s; 干纺PCS纤维在烧成温度超过250℃后开始发生自交联反应, 在烧成温度超过550℃后, 干纺PCS纤维完全交联形成了“不熔不溶”的网状结构; 干法纺丝法制备得到的SiC纤维与空气不熔化法制得的SiC纤维相比, 氧含量大幅降低, 仅在3.6wt%左右, 结晶度较高, 其耐高温抗氧化性也有明显的改善.     

自由碳的脱除对SiC纤维微观结构和性能的影响

采用加氢烧成法脱碳, 制备了不同自由碳含量的连续SiC纤维。通过元素分析、红外、X射线衍射和拉伸试验等手段对纤维的脱碳过程、元素组成、微观结构和性能进行了分析。结果表明: 加氢烧成通过抑制脱H₂反应、促进脱CH₄反应而实现有效脱碳, 且氢气浓度越高, 纤维中的碳含量越低。纤维芯部元素分布均匀, 表明该方法可以实现均匀脱碳, 但表面出现很薄的富碳层, 这是纤维经氢气处理后表面吸附氧形成的富氧层在高温烧成时分解所致。自由碳的脱除引起纤维晶粒长大, 密度增加, 孔隙率降低, 电阻率升高, 拉伸强度与拉伸模量提高。近化学计量SiC纤维具有优异的综合性能。     

Synthesis and properties of ceramic fibers from polycarbosilane/polymethylphenylsiloxane polymer blends

We synthesized ceramic fibers based on silicon carbide (SiC) from polymer blends of polycarbosilane (PCS) and polymethylphenylsiloxane (PMPhS) by melt-spinning and radiation curing. PMPhS was compatible with PCS up to 30 mass%, and formed a transparent melt at temperatures higher than 513 K. The softening point was also lowered by adding PMPhS and 15 mass% of PMPhS to PCS was the most suitable condition for obtaining thin fibers with an average diameter of 14.4 μm. Due to the lowered softening point of the PCS–PMPhS fibers, γ-ray curing in air was adopted. The ceramic yield of the cured fiber was 85.5% after pyrolysis at 1273 K. In spite of the small diameter, the resulting tensile strength at 1273 K was rather limited at 0.78 GPa. Blooming of the PMPhS component during pyrolysis may have caused surface defects. After high-temperature pyrolysis at 1673–1773 K, a porous nanocrystalline SiC fiber with a unique microstructure was obtained with surface area of 70–150 m²/g. When the fiber was pyrolyzed at the same temperature under a highly reductive atmosphere, wire bundle-shaped fibers were obtained by gas evolution and reactions.     

Micelle-mediated synthesis of single-crystalline β(3C)-SiC fibers via emulsion electrospinning

Submicroscale SiC fiber mats were prepared by the electrospinning of an oil-in-water(O/W) precursor emulsion, a subsequent thermal curing treatment, and calcination at 1600 °C. Low-molecular-weight PCS micelles entrapped within an aqueous PVP matrix played an important role in forming the continuous and dense core structure, resulting in pure SiC fibers. The manipulation of SiC fiber diameters could be obtained via control of the micellar PCS concentration (10-30 wt %), enabling the production of dense and highly crystallized SiC fiber architectures with diameters ranging from 200 to 350 nm.     

电子束辐射交联制备低氧含量SiC纤维的研究

本文作者研究了电子束辐射交联对PCS纤维不熔化效果、热分解特性的影响,探讨了辐射交联机理,并制得了低氧含量的SiC纤维,研究了其耐高温性能。结果显示,PCS辐照纤维开始实现不熔化的吸收剂量是15MGy。所得纤维的氧含量为3.3wt%,抗拉强度为1.65GPa,晶粒尺寸3.4nm。在He气氛下1600℃处理30min后失重8wt%,强度保留80%,晶粒长大到16.3nm。     

自由基引发活性聚碳硅烷交联及其在制备SiC纤维中的应用

在基于先驱体聚碳硅烷转化制备SiC陶瓷纤维过程中, 交联过程是保持纤维形貌和提高陶瓷产率的必要条件。本研究以含丙烯酸酯基的聚碳硅烷(A-PCS)为原料, 通过引入自由基热引发剂在热解升温过程中实现原料的交联成型。采用红外光谱仪(FT-IR)和差示扫描量热仪(DSC)研究了引发剂含量对A-PCS交联程度、交联速率以及热降解速率的影响规律; 采用热失重(TG)、元素分析仪和X射线衍射仪(XRD)分析了陶瓷产率、陶瓷产物组成以及无定形态随温度的变化。研究结果表明: 加入自由基热引发剂可提高A-PCS中的丙烯酸酯基的交联速率, 减少交联阶段的热失重; 将质量百分比为1%自由基热引发剂的A-PCS以5 ℃/min升至250 ℃时, 丙烯酸酯基反应完全, 1500 ℃的陶瓷产率为69.5%; 通过静电纺丝加工工艺可获得直径介于2~5 μm的A-PCS原丝, 并通过后续升温热解转化为SiC纤维; 所得SiC纤维形貌规整、无熔并现象, 且随着热解温度的升高从无定形态向结晶形态转变。     

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.