碳/碳复合材料SiC/Al-Si涂层微观结构及抗氧化性能研究

采用料浆法在碳/碳复合材料碳化硅(SiC)内涂层表面制备了Al-Si合金外涂层,采用XRD和SEM分析了涂层的微观结构,并测试了带有SiC/Al-Si复合涂层的碳/碳复合材料试样在1500℃静态空气中的抗氧化性能.结果表明:Al-Si合金外涂层主要成分为Al3.21Si0.47,含有少量Al2O3;SiC/Al-Si复合涂层厚度约为120μm,无穿透性裂纹;SiC/Al-Si复合涂层的抗氧化性能明显优于单一SiC涂层,氧化17h后涂层试样的质量损失未超过5%.     

SiC/MoSi2-Si-Cr-B/玻璃涂层碳/碳复合材料抗氧化行为研究

采用两步包埋法及料浆涂刷-烧结法在二维碳布叠层碳/碳复合材料表面依次制备了SiC/MoSi2-Si-Cr-B包埋涂层及磷酸盐玻璃外涂层,研究了其在950℃静态空气环境中自由状态的抗热震、防氧化性能及不同弯曲变形状态下的防氧化性能,并借助X射线衍射分析仪及扫描电子显微镜对涂层试样的组成成分及微观组织形貌进行了分析.结果表明:950℃自由状态下该涂层体系的氧化失重率为负值,抗热震、防氧化效果良好;磷酸盐玻璃层在950℃软化熔融呈粘流态,可填补涂层内的裂纹和孔洞,阻止氧的入侵,有效提高了涂层整体的抗热震及抗氧化性能;但弯曲变形状态下,涂层试样的氧化失重率随形变量的增加而提高,形变会在一定程度上降低碳/碳复合材料抗氧化涂层的保护效果,加速材料的氧化失效.     

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.     

碳纤维表面处理对2D碳/碳复合材料弯曲性能的影响

为改善纤维与基体的界面结合状态及提高碳/碳复合材料性能,采用1700℃惰性气体保护、2200℃惰性气体保护、400℃空气氧化三种表面处理方法对碳纤维进行了表面处理.结果表明,经过2200℃处理后的纤维表面比较粗糙,有很多沟槽,制备的碳/碳复合材料中纤维与基体结合紧密,弯曲强度比未经表面处理的纤维制备的碳/碳复合材料弯曲强度提高75%;经过400℃处理后的纤维表面凹坑、凸起较纤维未处理前增多,制备的碳/碳复合材料中纤维与基体结合强度适中,其弯曲强度比未经表面处理的纤维制备的碳/碳复合材料弯曲强度提高43%;而经过1700℃处理的纤维表面比较光滑,纤维与基体结合弱,弯曲强度比未经表面处理的纤维制备的碳/碳复合材料的弯曲强度低.     

粉末涂层碳纤维制备碳/碳复合材料研究进展

综述了国内外碳/碳复合材料的主要用途和制备方法,通过比较发现粉末预涂层制备碳/碳复合材料是一种低成本、短制备周期的理想方法,它包括基体树脂和碳纤维的选择、碳纤维的表面处理及碳纤维丝束的铺展.采取层压成型制备试样,经高温炭化和石墨化制备碳/碳复合材料.     

喷涂功率对碳/碳复合材料表面羟基磷灰石涂层的影响

采用等离子喷涂技术在碳/碳复合材料表面制备了羟基磷灰石(HA)涂层,采用电子拉伸机和自制装置测定了不同喷涂功率下涂层与基体的抗剪强度,采用扫描电镜观察了涂层表面、剪切断裂表面的形貌,采用电子探针分析了试样截面的形貌和成分线分布.结果表明:随着喷涂功率的增加,涂层中HA颗粒的熔化程度和涂层与基体的抗剪强度均增加,涂层与基体的界面属于机械结合,其剪切断裂的形式主要有界面失效和涂层内部失效两种.     

高温氧化及热震对SiC/ZrB2-SiC/SiC涂层炭/炭复合材料力学行为的影响

为提高炭/炭(C/C)复合材料的高温抗氧化性能,同时分析涂层制备及高温氧化对涂层材料力学行为的影响,在C/C复合材料表面采用反应熔渗、料浆涂刷结合化学气相沉积工艺制备了SiC/ZrB2-SiC/SiC三层高温抗氧化涂层。利用SEM和XRD分析复合涂层的微观结构和相组成,考察涂层复合材料1500℃高温抗氧化和1500℃-室温的抗热震性能,研究高温氧化及热震对涂层C/C复合材料力学行为的影响。结果表明,复合涂层试样1500℃静态空气环境下具有优异的抗氧化及抗热震性能:1500℃氧化20 h后试样保持增重,1500℃至室温热震50次后增重为0.69%。因涂层制备过程中粉料的渗入反应,复合材料弯曲强度增长了7.08%。在经历1500℃氧化20 h和1500℃至室温50次热震后,涂层复合材料弯曲强度有所下降,且因材料界面结合力的减弱使得纤维拔出特征明显,材料塑性断裂特征增强。     

SiC/Mo-Si复合涂层C/SiC复合材料的氧化性能

采用化学气相沉积法(CVD)和刷涂法在C/SiC复合材料表面制备抗氧化涂层。该涂层由致密的CVDSiC层和多孔的Mo-Si层交替组成,其结构从里到外为:CVDSiC层→Mo-Si层→CVDSiC层→Mo-Si层→CVDSiC层。涂层试样于1400℃的氧化实验和1400℃100℃的热震实验结果表明:在氧化和热震过程中,涂层均保持完整,没有出现脱落和掉块等失效现象。经1400℃、150h氧化后,涂层试样的失重率仅为0.25%,失重速率为6.61×10-6g.cm-.2h-1。在热震过程中,涂层试样基本保持氧化增重。经25次和50次热震后,涂层试样的弯曲强度保持率分别为95.73%和81.61%。SiC/Mo-Si复合涂层具有优异的抗氧化和抗热震性能,可对C/SiC复合材料提供1400℃、长时间的氧化防护。     

碳/碳复合材料磷酸盐抗氧化涂层的研究进展

综述了国内外碳/碳复合材料磷酸盐抗氧化涂层的研究进展,介绍了磷酸盐涂层体系的抗氧化原理、制备方法及研究现状,总结了碳/碳复合材料现有磷酸盐涂层体系的不足之处,展望了磷酸盐涂层发展的前景,指出未来碳/碳复合材料磷酸盐抗氧化涂层工作的重点应该是探索新的低成本工艺技术制备致密、结合力好、能在全温度段保护碳/碳复合材料的磷酸盐涂层体系,并详细研究了该涂层的抗氧化、失效机理.     

碳/碳复合材料SiC/MoSi_2/ZrO_2涂层体系氧化烧蚀性能

抗氧化涂层技术是解决碳/碳复合材料高温抗氧化性的最有效技术途径之一。为了提高材料在1 800℃以上的高温抗氧化性能,首次采用包埋法、涂刷法和等离子喷涂法在碳/碳复合材料表面制备出SiC/MoSi_2/ZrO_2梯度抗氧化涂层体系。采用SEM/EDS、结合力和粗糙度测试对涂层表面及断面形貌进行微观分析,利用等离子风洞对整个涂层体系进行氧化试验。结果表明:基体、过渡层和高温抗氧化层之间结合力良好,高温抗氧化层厚度均匀、结构致密。经等离子风洞氧化600s后,涂层表面温度达到1 850℃,氧化质量失重速率仅为3.15×10~(-6) g/(cm~2·s)。表明SiC/MOSi_2/ZrO_2梯度抗氧化涂层体系在1 800℃以上的高温环境下具有很好的抗氧化性能。     

Influence of Thermal Shock on the Mechanical Behavior of Si-SiC Coated Carbon/Carbon Composites

Si-SiC coating was prepared on the surface of carbon/carbon (C/C) composites by a two-step technique of pack cementation, and the influences of thermal shock between 1773 K and room temperature in air on the mechanical property and fracture behavior of the coated C/C were studied. The results show that, after thermal shock between 1773 K and room temperature for 5, 10 and 15 times, the flexural strength of coated composites increases by 4.29%, 15.00% and 24.20%, respectively. The toughness of the coated C/C enhances gradually during the thermal shock test. The improvement of the mechanical property after the thermal shock test is primarily caused by the weakening of the fiber-matrix interface and the reduction of residual thermal stresses by thermal shock.     

CVI-iC/TaC改性C/C复合材料的力学性能及其断裂行为

以针刺碳纤维整体毡为预制体,采用化学气相渗透工艺对预制体纤维进行PyC/SiC/TaC的多层复合模式的涂层改性, 然后采用化学气相渗透和热固性树脂浸渍-化进行增密,制备出新型C/C复合材料。对复合材料的微观结构和力学性能进行了研究。结果表明:包覆在碳纤维表面的PyC/SiC/TaC多层结构均匀致密、无裂纹,在C/C复合材料中形成空间管状网络结构;改性后C/C复合材料的抗弯强度和韧性均大大提高, 平均抗弯强度达到522 MPa,断裂位移达到1.19mm;复合材料弯曲断裂形式表现为脆性断裂,经过2000℃高温热处理以后,复合材料的抗弯强度下降,但最大断裂位移增大,弯曲断裂形式由脆性断裂转变为良好的假塑性断裂。      

Effect of multilayer coating on mechanical properties of Nicalon-fibre-reinforced silicon carbide composites

Nicalon-fibre-reinforced SiC composites were fabricated by combining polymer solution infiltration (PSI) and chemical vapour infiltration (CVI). Effect of multilayer coating on mechanical properties of the composites was investigated. The coatings consisted of chemically vapour deposited (CVD) C and SiC and were designed to enhance fibre pull-out in the composites. It was found that the flexural strength and fracture toughness of the composites were increased with the number of coating layers and was a maximum for 7 coating layers which consisted of C/SiC/C/SiC/C/SiC/C. Typical flexural strength and fracture toughness of the composites were 300 MPa and 14.5 MPa m^1/2, respectively.     

碳纤维表面改性增强Fe3Al-Al2O3复合材料的制备及组织性能

采用溶胶-凝胶分散和热压烧结制备了短切碳纤维（CF_s）/Fe₃Al-Al₂O₃复合材料。分别通过电化学镀Cu和化学气相沉积SiC对CF_s表面修饰和改性,研究了Cu镀层和SiC涂层对CF_s/Fe₃Al-Al₂O₃复合材料显微组织、相组成、力学性能及断裂行为的影响。结果表明,未修饰的CF_s在Fe₃Al-Al₂O₃基体中受到严重侵蚀,CF_s/Fe₃Al-Al₂O₃复合材料致密度低,抗弯强度仅为239.0 MPa,与Fe₃Al-Al₂O₃强度相当;表面镀Cu可有效保护CF_s不被侵蚀,同时提高了CF_s/Fe₃Al-Al₂O₃复合材料的烧结致密性和界面结合强度,从而明显提高了复合材料的断裂强度,但断裂过程中纤维拔出较短;CF_s表面沉积SiC的CF_s/Fe₃Al-Al₂O₃复合材料组织均匀致密,表面涂层完整,且与纤维及基体之间结合力相当,断裂过程中,涂层既可随纤维一起拔出基体,也可与CF_s分离而留在基体之中,SiC涂层与纤维及基体之间的弱相互作用很大程度上促进了纤维脱黏和拔出,从而促进CF_s/Fe₃Al-Al₂O₃复合材料韧化所需的渐进破坏机制。      

C/C-ZrC复合材料的微观结构和力学性能研究

采用ZrOCl₂溶液浸渍法把锆化合物引入碳纤维预制体, 经热处理、热梯度化学气相渗透致密化和高温石墨化工艺制备了C/C-ZrC复合材料。性能测试结果表明, C/C复合材料的弯曲强度和模量随ZrC含量的增加而增大, ZrC含量为12.08wt%时, 其强度和模量分别为42.5 MPa 和9.6 GPa, 比未改性试样分别提高了70.0%和43.3%。基体中结合较弱的微米级ZrC颗粒的存在不利于碳基体强度的提高, 但其对材料最终性能的影响是次要的, 碳基体中亚微米/纳米级ZrC颗粒的存在和良好的ZrC-C界面结合, 提高了碳基体的强度和模量, 进而提高了复合材料的最终性能。     

微观组织结构对C/C复合材料力学行为的影响

采用快速化学液相气化渗透法制备了2D-C/C复合材料,沉积温度为1200-1250℃, 系统压力约0.1MPa.利用偏光显微镜及扫描电子显微镜观察了不同沉积温度制备的基体热解碳的微观组织结构及断口形貌.实验结果表明,1200℃沉积的基体热解碳中粗糙层组织占大多数,其弯曲强度较高、韧性较低; 1250℃的基体热解碳呈现为光学各向异性程度不同的光滑层/粗糙层交替层状组织,其弯曲强度较低、韧性较高,具有非脆性断裂行为.不同微观结构的材料具有不同的强度及断裂模式,除了纤维/基体间界面结合强度不同外,不同温度沉积得到的热解碳微观结构的不同引起裂纹在不同微观结构碳层内的扩展阻力也会不同.此外,裂纹在光滑层/粗糙层界面处的偏转会导致断裂面的高低不平,从而使后者韧性增强.     

炭纤维增强羟基磷灰石/聚乳酸复合生物材料的力学性能和体外降解性能

采用溶液共混法制备了炭纤维(CF)增强羟基磷灰石(HA)/聚乳酸(PLA)三元复合生物材料。研究了该复合材料的力学性能和体外降解性能。CF/HA/PLA复合材料具有优异的力学性能, 弯曲强度和弯曲模量均随着HA含量的增加先升高后降低, 存在一个峰值, 可分别达到430MPa和26GPa。在PBS模拟体液中降解3个月, 弯曲强度和弯曲模量分别下降到初始值的30%和36%。SEM照片显示, 降解是从复合材料的界面开始的, 降解3个月后, 界面结合处出现缝隙, 吸水率增加到5%, 质量损失只有1.6%。PBS模拟体液的pH值下降在0.1之内, 有利于骨折部位的愈合。实验结果表明, 该复合材料的机械性能满足骨折内固定材料技术指标的要求。      

碳纤维上原位生长碳纳米管对C/C复合材料弯曲性能的影响

以碳毡为基底原位生长了碳纳米管（CNTs）,借助化学气相渗透制备了CNTs-C/C复合材料。研究了催化剂含量对碳纳米管生长的影响以及不同含量碳纳米管对C/C复合材料弯曲性能的影响。结果表明：催化剂对CNTs产量影响较大,且含量越多,生成的CNTs量越大;原位生长CNTs引入的催化剂会导致CNTs-C/C复合材料弯曲性能变差;CNTs的加入改变了热解碳的沉积行为,诱导了球状和锥状小尺寸热解碳的形成,减少了微裂纹的出现。适量CNTs能提高C/C复合材料的弯曲强度和模量,并改善材料的断裂行为。