C/C多孔体的高温热处理对C/SiC复合材料结构及力学性能的影响

以三维针刺碳毡作为预制体,先采用树脂单向加压浸渍-热解工艺制备出C/C多孔体,再通过反应熔体浸渗法获得C/SiC复合材料。重点研究了C/C多孔体的高温热处理对C/SiC复合材料结构和力学性能的影响。结果表明,C/C多孔体的高温热处理不会改变C/SiC复合材料的相组成,但可使复合材料中的SiC含量提高,C含量降低;高温热处理有利于熔融Si浸渗,使复合材料致密度增大,孔隙率降低,从而使其弯曲断裂强度提高约28%;高温热处理还可使纤维-基体界面结合强度降低,改善复合材料的断裂韧性。     

PyC/SiC界面相对PIP法制备3D HTA C/SiC复合材料性能的影响

利用三维编织炭纤维预制件通过先驱体浸渍裂解法制备C／SiC复合材料。研究了热解碳（PyC）／SiC界面相对复合材料的微观结构和力学性能的影响。弯曲性能通过三点弯曲法测试，复合材料的断口和抛光面通过扫描电镜观察。结果表明：通过等温化学气相沉积法在纤维表面沉积PyC／SiC界面相以后，复合材料的三点抗弯强度从46MPa提高到247MPa。沉积界面的复合材料断口有明显的纤维拔出现象，纤维与基体之间的结合强度适当，起到了增韧作用；而未沉积界面相复合材料的断口光滑、平整，几乎没有纤维拔出，纤维在热解过程中受到严重的化学损伤，性能下降严重，材料表现为典型的脆性断裂。     

热处理对含CSiCTaCC界面C/C复合材料力学性能的影响

以准三维针刺炭纤维毡为预制体, 采用化学气相渗透工艺在预制体中炭纤维/基体炭之间制备C-SiC-TaC-C复合界面, 利用树脂浸渍-炭化工艺对材料进一步增密, 获得含C-SiC-TaC-C界面的C/C复合材料。研究了1400～2500℃不同温度热处理前后复合材料的微观结构和力学性能。结果表明: 热处理前, SiC-TaC界面为管状结构, 复合材料的抗弯强度为241.6 MPa, 以脆性断裂为主; 经1400～1800℃热处理后, TaC界面破坏呈颗粒状, 复合材料的平均抗弯强度下降到238.9～226.1 MPa, 其断裂方式不变, 但断裂位移由0.7 mm增至1.0 mm; 经2000～2500℃热处理后, SiC、 TaC界面均受到破坏, 复合材料平均抗弯强度急剧下降至158.7～131.8 MPa, 断裂方式由脆性断裂转变为假塑性断裂。      

炭纤维热处理对C/C复合材料力学性能的影响

采用化学气相沉积工艺对未处理和2 500℃热处理的炭纤维预制体进行致密化,对致密化后的C/C复合材料进行弯曲力学性能测试,借助偏光显微镜和扫描电子显微镜观察热解炭的组织、纤维的表面和弯曲试样断口的形貌.结果显示:高温热处理后,纤维表面变的更加光滑,表面出现很多沿纤维轴向的沟槽;致密化后的两种C/C复合材料的基体消光角约为21°,均为高织构热解炭;与未处理纤维增强C/C复合材料相比,经高温热处理后纤维增强的C/C复合材料的弯曲强度和模量均大幅下降,断裂特征由脆性转变为典型的假塑性,断口处有大量纤维拔出,纤维表面未粘附热解炭,表明对纤维进行高温热处理显著降低了纤维和热解炭基体的界面结合强度,导致材料强度降低,断裂呈假塑性.     

不同物相电沉积CNTs对C/SiC复合材料力学性能的影响

采用电沉积法与化学气相渗透(CVI)法将碳纳米管(CNTs)分别引入到碳纤维表面和SiC基体中,制得了不同物相电沉积CNTs的C/SiC复合材料(CNTs-C)/SiC和C/(CNTs-SiC)。研究了CNTs沉积物相对C/SiC复合材料力学性能的影响,分析了不同CNTs沉积物相的C/SiC复合材料的拉伸强度及断裂机制。结果表明:相较于未加CNTs的C/SiC复合材料,CNTs沉积到碳纤维表面的(CNTs-C)/SiC复合材料的拉伸强度提高了67.3%,断裂功提高了107.2%;而将CNTs引入到SiC基体中的C/(CNTs-SiC)复合材料的断裂功有所降低,拉伸强度也仅提高了6.9%,CNTs没有表现出明显的增强增韧效果;C/(CNTs-SiC)复合材料与传统的C/SiC复合材料有相似的断裂形貌特征,断裂拔出机制类似,主要为纤维增强增韧,CNTs的作用不明显。     

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.     

Al粉作为活性填料对PIP法SiCf/SiC复合材料性能的影响

利用2.5D SiC纤维预制件,通过前驱体浸渍裂解法（PIP法）制备SiCf/SiC复合材料,通过在第一次浸渍浆料中加入活性Al粉和惰性颗粒SiC粉来提高浸渍效率.研究了活性填料的加入以及纤维表面热解碳层的厚度对材料性能的影响.结果表明,由于Al粉在热解过程中与含碳有机小分子发生化学反应生成新的物相,使得复合材料的力学性能得到了很大的提高,在1200℃经过六个周期的浸渍裂解后,复合材料的三点弯曲强度达到441MPa,比例极限应力达到380MPa.在200～500nm厚度范围内,热解碳的厚度对复合材料的抗弯强度影响不明显.复合材料的弹性模量随着热解碳层厚度的增加而降低.     

树脂基多孔碳孔结构对Cf/SiC复合材料连接性能的影响

连接技术是实现大尺寸以及复杂构型C_f/SiC复合材料制备及工程化应用的关键技术。本工作使用酚醛树脂作为碳源, 通过反应连接法实现了C_f/SiC复合材料的稳定连接, 研究了多孔碳坯的体积密度和孔径对接头连接性能和微观结构的影响, 讨论了惰性填料含量对接头连接性能和显微组织的影响。研究表明: 树脂基多孔碳素坯的体积密度和孔径分别选定在0.71~0.90 g·cm^-3和200~600 nm比较合适, 随着多孔碳素坯孔径增加, 游离硅尺寸逐渐增大; 当孔径为190 nm时, 连接件强度最大为(125±12) MPa。添加SiC惰性填料可以明显减小多孔碳素坯的体积收缩, 当SiC惰性填料质量分数为50%时, 连接件强度最高达到(216±44) MPa, 基本与基体材料强度相当。总体而言, 本研究为实现C_f/SiC复合材料稳定连接提供了理论指导, 对实现复杂形状或大型C_f/SiC复合材料的制备和工程应用具有重要意义。     

C/C坯体密度对2D C_f/SiC复合材料结构和性能的影响

通过理论计算,探究C_f/SiC复合材料密度与C/C坯体密度的相关性;而后采用碳纤维布叠层制作2D C/C坯体,经先驱体浸渍裂解工艺增密,制得密度分别为0.98、1.06、1.12g/cm~3的C/C坯体,通过液相渗硅法反应合成2DC_f/SiC复合材料,探究C/C坯体密度对其结构和性能的影响。与理论计算结果来对比。研究结果表明:试验结果与理论数学计算结果基本一致。随着C/C坯体密度的增加,C_f/SiC复合材料的密度出现先上升后下降的趋势,当C/C坯体密度大于0.98g/cm~3后,复合材料的弯曲强度随着C/C坯体密度的增加而降低,C/C坯体密度为0.98g/cm~3时,2DC_f/SiC复合材料结构和性能较优。     

AIN和B对热压烧结Cf/SiC复合材料性能的影响

研究了烧结助剂ＡＩＮ 和Ｂ对Ｃｆ／ＳｉＣ复合材料力学性能的影响。结果表明：Ｂ含量较低时（小于０．５ｗ ｔ％ ）,Ｂ的增加能有效地提高复合材料的抗弯强度与断裂韧性,继续增加Ｂ的用量至１ｗ ｔ％ ,虽能大幅度提高复合材料的强度,但使复合材料的断裂韧性大大降低。ＡＩＮ 与ＳｉＣ高温反应形成固溶体,能起到强化和细化基体ＳｉＣ晶粒以及改善ＳｉＣ晶界结构的作用,但对复合材料内纤维与基体间界面的结合影响较小,因此与Ｂ的作用相比,ＡＩＮ 对复合材料密度和力学性能的影响较小。烧结助剂为５ｗ ｔ％ ＡＩＮ－０．５ｗ ｔ％ Ｂ,经１８５０℃和２５ＭＰａ 热压烧结后的Ｃｆ／ＳｉＣ复合材料具有较佳的综合力学性能,其抗弯强度与断裂韧性值分别为５２６．６ＭＰａ 和１７．１４ＭＰａ·ｍ １／２。     

后热处理对C_f/ZrC复合材料微观结构及性能的影响

以C/C复合材料为基材、Zr_2Cu合金为渗剂,采用低温反应熔渗工艺制备得到碳纤维增强碳化锆陶瓷基复合材料(Cf/ZrC),重点研究后热处理对Cf/ZrC复合材料微观结构及性能的影响。结果表明:经1400~2200℃热处理后,材料密度下降,开孔率增大;材料在后热处理过程中会发生残余富铜熔体的流失、ZrC基体体积分数的增加以及ZrC基体结构的破坏;后热处理造成材料力学性能下降,热处理温度达到2200℃时,材料的弯曲强度保留率仅为52.3%。     

热处理温度对高导热3D C/C复合材料性能的影响

通过化学气相渗透和前驱体浸渍裂解复合工艺对三向碳纤维织物进行致密化,获得密度为1.95 g/cm3的高导热3D C/C复合材料.利用SEM,XRD,导热系数测试,线膨胀系数测试和三点弯曲实验,研究2350,2550,2850℃不同热处理温度对3D C/C复合材料微观形貌、结构、导热系数、线膨胀系数和弯曲性能的影响.结果表明:随着热处理温度的升高,中间相沥青基碳纤维石墨片层结构更加明显,均匀包裹在碳纤维周围的热解碳片层排列的有序度提高,且片层之间排列更加致密;3D C/C复合材料的石墨化度和导热系数提高;在测试温度250～1400℃区间,线膨胀系数随着测试温度的升高略微增大,不同热处理温度后的3D C/C复合材料线膨胀系数均在-1×10-6～2×10-6℃-1,表现出良好的"零膨胀性".此外,当热处理温度升高,3D C/C复合材料的碳纤维与基体的结合减弱,导致材料的弯曲强度和弯曲模量降低,2850℃高温热处理后的材料弯曲断裂面出现大量长纤维拔出,总体来说,3种不同热处理温度后的断裂均表现出"假塑性"断裂特征.     

C/SiC复合材料空间光机结构的研究进展与展望

C/SiC具有轻质、高模、低热膨胀系数等优异的性能,可作为新一代高精度空间光机结构件材料。概述了空间光机结构件材料发展的趋势,对比了RB、CVI、PIP工艺的C/SiC复合材料性能,综述了近年来国内外C/SiC复合材料在空间光机结构中的研究进展及应用情况,指出低成本、短周期、结构和工艺设计以及应用基础研究将是C/SiC复合材料未来发展的重点方向。     

热处理对C/C复合材料热膨胀行为的影响

以整体炭毡为预制体,采用化学气相渗透(CVI)和树脂压力浸渍-常压炭化(PIC)相结合的工艺进行了复合致密,制备了整体毡基炭/炭(C/C)复合材料。通过对不同热处理工艺下材料的轴向热膨胀行为测试,结果表明:当热处理温度从1800℃升至2500℃时,材料1000℃的热膨胀系数(CTE)由3.30×10-6/℃降低到3.00×10-6/℃;当热处理次数由1次增至2次时,材料1000℃的热膨胀系数由2.28×10-6/℃降低为2.10×10-6/℃。同时发现,当孔隙率相差84%时,热膨胀系数降低约24%。通过研究认为,热处理改变了C/C材料的微观结构,增强了材料石墨化的程度,提高了开口气孔率,可以通过合适的热处理工艺,降低材料的热膨胀系数,提高材料的热稳定性。     

用气相反应法制备C/C复合材料的梯度SiC涂层

本文采用化学气相反应法（CVR）制备了C/C复合材料的梯度SiC涂层,对该梯度涂层的形成机理及抗氧化性能进行了试验研究.研究结果表明：Si渗入基体的速率对梯度涂层的形成产生直接的影响,当采用体密度较高的C/C基体时,得到了完整致密的梯度SiC涂层,生成的SiC为β-SiC,该涂层具有较好的高温抗氧化能力,在1500℃静态空气气氛中,氧化26小时后失重不超过2%.     

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。     

两种双基体C/C复合材料的微观结构与力学性能

借助偏光显微镜、扫描电镜以及力学性能测试研究了两种双基体C/C复合材料的微观结构与力学性能。结果表明:基体碳在偏光显微镜下呈现出热解碳的光滑层组织,沥青碳的各向同性、镶嵌和流域组织。在SEM下普通沥青碳为"葡萄状"结构,中间相沥青碳为片层条带状结构。具有多层次界面结构的材料可以提高材料的弯曲强度,改善材料的断裂韧度,两种材料在载荷-位移曲线中载荷为台阶式下降,呈现出假塑性断裂特征。材料A和材料B的弯曲强度分别为206.68,243.66MPa,断裂韧度分别为8.06,9.66MPa·m1/2,材料B的弯曲强度、断裂韧度均优于材料A。     

2D C/SiC复合材料的可靠性评价

采用概率论和数理统计方法, 以研究分析2D C/SiC复合材料的弯曲强度分布规律为切入点, 比较了失效概率预测值与实验值, 用可靠度、 风险函数和可靠强度评价了该材料可靠性。通过线性回归分析和拟合优度检验得到正态、 对数正态和三参数Weibull分布模型均可表征其弯曲强度分布规律; 确定了该材料弯曲强度失效概率、 可靠度函数、 风险函数和可靠强度的数学模型中的参数, 可以预测给定强度条件和许用可靠度条件下的多种可靠性指标; 材料弯曲强度均值的三种模型预测值与实测值最大相对误差仅0.07%, 计算得到的失效概率曲线与实验弯曲强度的失效分布均符合很好。      

制备工艺对热压烧结SiC/SiC复合材料结构与性能的影响

采用纳米SiC和亚微米SiC粉料作为基体形成原料,通过热压烧结技术制备了SiC/SiC 复合材料.研究了粉料颗粒、烧结温度、烧结压力对复合材料显微结构和各种性能的影响.结果显示,采用纳米碳化硅粉体可有效降低烧结温度,促进复合材料的致密化过程,在1780℃、20MPa条件下可获得性能优良的复合材料.而采用亚微米SiC粉体,复合材料的致密化过程需要较高的温度,但随着密度的增加,基体与纤维之间的作用力增强,不利于性能的提高.     

C/SiC复合材料的氧化对其内耗行为的影响

通过分析C/SiC在高温(1250、1300和1350℃)空气氧化过程中质量、强度、物相、气孔率、微观形貌演变规律,并同时采用动态热机械分析仪测得内耗的变化趋势,研究了氧化对其内耗行为的影响规律,进而为以内耗表征复合材料的氧化行为奠定基础.为明确C/SiC各组元在氧化与内耗行为对应关系中所发挥的作用,进一步研究了SiC陶瓷在1300℃、空气中的氧化与内耗行为之间的对应关系.结果表明:SiC陶瓷氧化对其内耗行为的影响规律不明显且影响程度较弱;C/SiC在氧化过程中的内耗行为受C相的氧化损伤控制,且作用规律明显,其内耗保持率曲线均出现峰值,其中1250、1300和1350℃的峰值分别为6.65、3.48和1.59.