CVD-SiC界面改性涂层对气相渗硅制备C_f/SiC复合材料力学性能的影响

在气相渗硅制备C_f/SiC复合材料时,界面改性涂层非常重要。良好的界面改性涂层一方面起到保护碳纤维不受Si反应侵蚀的作用,另一方面起到调节纤维和基体界面结合状况。通过在C纤维表面制备CVD-SiC涂层来进行界面改性,研究CVD-SiC界面改性涂层对GSI C_f/SiC复合材料力学性能和断裂特征的影响,并分析其影响机制。结果表明:无CVD-SiC涂层改性的C_f/SiC复合材料力学性能较差,呈现脆性断裂特征,其强度、模量和断裂韧度分别为87.6MPa,56.9GPa,2.1MPa·m1/2。随着CVD-SiC涂层厚度的增加,C_f/SiC复合材料的弯曲强度、模量和断裂韧度呈现先升高后降低的趋势,CVD-SiC涂层厚度为1.1μm的C_f/SiC复合材料的力学性能最好,其弯曲强度、模量和断裂韧度分别为231.7MPa,87.3GPa,7.3MPa·m1/2。厚度适中的CVD-SiC界面改性涂层的作用机理主要体现在载荷传递、"阻挡"Si的侵蚀、"调节"界面结合状态3个方面。     

界面涂层对液相硅浸渗制备C/SiC复合材料力学性能的影响

采用化学气相沉积工艺对短切碳纤维毡体进行界面涂层改性处理后树脂浸渍裂解得到了多孔C/C预制体,再将预制体液相硅浸渗制备了C/SiC复合材料.对比了纤维有无界面涂层对C/SiC复合材料力学性能的影响,并分析了其断裂机制.结果表明,与无界面涂层改性相比,碳毡经化学气相沉积SiC涂层改性处理后制备的C/SiC复合材料的力学性能更好,强度和模量分别提高了192％和36％.界面涂层增强了纤维的抗硅化效果是C/SiC复合材料力学性能提高的主要原因,但同时复合材料也呈现出脆性断裂模式.     

先驱体浸渍-裂解SiC界面改性涂层对气相渗硅3D-C_f/SiC复合材料力学性能的影响

界面改性涂层对调节复合材料的力学性能起到重要作用。特别是在气相渗硅(GSI)制备C_f/SiC复合材料时,合适的界面改性涂层一方面保护C纤维不受Si反应侵蚀,另一方面调节C纤维和SiC基体的界面结合状况。通过在3D-C纤维预制件中制备先驱体浸渍-裂解(PIP)SiC涂层来进行界面改性,研究了PIP-SiC涂层对GSI C_f/SiC复合材料力学性能的影响。结果表明:无涂层改性的GSI C_f/SiC复合材料力学性能较差,呈现脆性断裂特征,其弯曲强度、弯曲模量和断裂韧性分别为87.6 MPa、56.9GPa和2.1 MPa·m~(1/2)。具有PIP-SiC界面改性涂层的C_f/SiC复合材料力学性能得到改善,PIP-SiC涂层改性后,GSI C_f/SiC复合材料的弯曲强度、弯曲模量和断裂韧性随着PIP-SiC周期数的增加而降低,PIP-SiC为1个周期制备的GSI C_f/SiC复合材料的力学性能最高,其弯曲强度、弯曲模量、断裂韧性分别为185.2 MPa、91.1GPa和5.5 MPa·m~(1/2)。PIP-SiC界面改性涂层的作用机制主要体现在载荷传递和"阻挡"Si的侵蚀2个方面。     

气相渗硅工艺制备KD-1 SiCf/SiC 复合材料及其性能研究

以国产KD-1型SiC纤维为增强体,采用化学气相沉积和酚醛树脂浸渍裂解获得两种碳源的多孔SiCf/C,通过气相渗硅工艺制备了KD-1 SiCf/SiC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:不同碳源的多孔SiCf/C,经过气相渗硅得到SiCf/SiC复合材料的断裂韧性相差较大,分别为12.9,2.0MPa·m1/2.而对于酚醛树脂浸渍裂解制备的高孔隙率SiCf/C中间体,经过气相渗硅得到SiCf/SiC复合材料的密度及力学性能明显高于由低孔隙率SiCf/C得到的SiCf/SiC复合材料.     

化学气相浸渗2D Cf/(SiC-C)复合材料的微观结构与强韧性

采用等温等压化学气相浸渗法(ICVI)制备了二维碳纤维增韧碳化硅碳二元基复合材料(2D C_f/(SiC-C)).利用扫描电镜(SEM)和背散射电子成像(BSE)研究了其基体的微观结构, 并与二维碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(2D C_f/SiC)比较了室温力学性能和断口形貌.结果表明：2D C_f/(SiC-C)复合材料的基体是由SiC与热解碳(PyC)组成的多层结构, PyC基体层分布均匀而连续, 且与SiC基体层结合紧密.纤维束内部PyC基体层较厚的2D C_f/(SiC-C)复合材料具有较高的强韧性, 其拉伸强度、断裂应变、断裂韧性和断裂功分别比2D C_f/SiC复合材料的提高了3%、142%、22%和58%.SiC与PyC组成的多层基体使2D C_f/(SiC-C)复合材料的纤维在拔出过程中发生了两次集中拔出, 且第一次集中拔出的纤维对复合材料的强韧性起主要作用.     

素坯密度对气相渗硅制备C/C-SiC复合材料结构与性能的影响

三维针刺碳毡经化学气相渗透(Chemical Vapor Infiltration,CVI)增密制备C/C素坯,通过气相渗硅(Gaseous Silicon Infiltration,GSI)制备C/C-SiC复合材料。研究素坯密度与CVI C层厚度及素坯孔隙率的变化规律,并分析素坯密度对C/C-SiC复合材料力学性能、热学性能的影响。结果表明:随着素坯密度增大,CVI C层变厚,孔隙率减小;C/C-SiC复合材料中残C量随之增大,残余Si量随之减小,SiC先保持较高含量(体积分数约40%),随后迅速降低,C/C-SiC复合材料密度逐渐减小,力学性能先增大后减小,而热导率及热膨胀系数降低至平稳。当素坯密度为1.085g/cm3时,复合材料力学性能最好,弯曲强度可达308.31MPa,断裂韧度为11.36MPa·m1/2。研究发现:素坯孔隙率较大时,渗硅通道足够,残余硅多,且CVI C层较薄,纤维硅蚀严重,C/C-SiC复合材料力学性能低;素坯孔隙率较小时,渗硅通道很快阻塞,Si和SiC含量少,而闭孔大且多,C/C-SiC复合材料力学性能也不高。     

低温化学气相渗透法制备Cf/TaC复合材料的研究

利用TaCl5-Ar-C3H6反应体系，用化学气相渗透（CVI）的方法，在炭毡中炭纤维表面沉积TaC．研究了温度对涂层的沉积速率、沉积均匀性、物相组成、微晶尺寸和微观生长形貌的影响．研究结果表明：沉积速率随沉积温度升高先增加后减小，在950℃时达到最大值，在900℃时沉积均匀性最好；在800-1000℃范围内能沉积出结晶度较好的TaC涂层，随着温度升高，微晶尺寸增大；TaC在炭纤维表面为岛状生长模式；随温度升高，岛尺寸先增加后减小，岛扩散能力增强，沉积岛之间相互链接融合．     

界面层对CVI-mini SiCf/SiC复合材料力学性能的影响

利用化学气相渗透法(CVI)在束丝SiC纤维表面沉积BN和BN/SiC两种界面层,并将其制备成mini碳化硅复合材料.应用扫描电镜(SEM)观察了界面层和mini复材的表面和断口形貌,应用原子力显微镜(AFM)表征了界面层的表面粗糙度.采用X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)对界面层结构进行表征,利用电子万能试验机对mini复材的拉伸性能进行分析.结果表明,CVI方法制备的BN表面光滑,为层状-岛状生长,与基体结合较弱,其mini复材拉伸强度为970 MPa.热处理后的BN结晶度增强,表面粗糙度增大,与基体的结合略微增强,其mini复材拉伸强度有所提升,为1050 MPa.BN/SiC界面层表面粗糙,为岛状生长,与基体的结合较强,其mini拉伸强度最高,为1720 MPa.     

烧结温度对Cf/SiC复合材料结构及性能的影响

以碳纤维为增强体, 热压烧结制备了C_f/SiC复合材料, 研究了烧结温度对C_f/SiC复合材料密度、结构及性能的影响. 研究发现: 提高烧结温度能够促进C_f/SiC复合材料的致密度; 当烧结温度低于1850℃时, 升高烧结温度, 复合材料的强度和断裂韧性也随之提高. 当烧结温度为1850℃时, 复合材料的性能最优, 弯曲强度达500.1MPa, 断裂韧性为16.9MPa·m ^1/2. 当烧结温度达到1880℃时, 复合材料性能反而下降.     

C/C-SiC复合材料熔融渗硅制备工艺

C/C-SiC复合材料具有许多优异的性能,如高比强度、高比模量、优良的高温性能、高热导率以及低热膨胀系数等.与其它制备工艺相比,采用熔融渗硅法制备C/C-SiC复合材料的工艺具有操作简单、周期短、成本低等优点.综述了目前熔融渗硅法制备C/C-SiC复合材料的研究状况.     

Cf/SiC复合材料制备工艺研究

结合材料复合过程中纤维编织体易变形的问题,系统研究了复合材料制备过程中编织体变形的规律,以及对所制备复合材料结构和性能的影响.通过实验研究发现,编织体体积控制有利于复合材料增强体纤维的均匀分布,实现复合材料结构和性能的均一化,有利于复合材料整体性能的提高,并且,编织体体积控制有利于提高复合材料的致密化速率,最终获得高致密度、高性能的复合材料.     

纤维织构对Cf/SiC复合材料结构和性能的影响

以先驱体浸渍裂解工艺制备了Cf/Sic复合材料,在相同工艺条件下,研究了四种纤维织构:2.5D,三维四向,三维五向,三维六向对复合材料结构和性能的影响.研究结果表明,2.5D纤维织构的复合材料,其力学性能优于其它三种织构的复合材料,2.5D织构的复合材料弯曲强度达到了406.25MPa,三维四向织构复合材料弯曲强度只有128.80MPa,三维五向织构复合材料159.74MPa,三维六向织构复合材料150.42MPa,并结合纺织学的结构理论对这种影响进行了剖析.     

三维碳化硅/碳化硅陶瓷基编织体复合材料

采用化学气相浸渗法（CVI）,制备出三维Hi-Nicalon SiC/SiC陶瓷基纺织体复合材料,经30hCVI致密化处理后,复合材料的密度达到2．5g.cm^-3。所研制的三维SiC/SiC复合材料不仅具有较高的强度,而且表现出优异的韧性和类似金属材料非灾难性的断裂特征,复合材料的主要功能力学性能指标为：弯曲强度860MPa,断裂位移1．2mm,断裂韧性41．5MPa.m^1/2,断裂功28．1kJ.m^-2,冲击韧性360.0kJ.m^-2。     

三维碳化硅/碳化硅陶瓷基编织体复合材料

采用化学气相浸渗法（ＣＶＩ）,制备出三维Ｈｉ－ＮｉｃａｌｏｎＳｉＣ／ＳｉＣ陶瓷基编织体复合材料．经３０ｈ ＣＶＩ致密化处理后,复合材料的密度达到 ２５９·ｃｍ－３,所研制的三维 ＳｉＣ／ＳｉＣ复合材料不仅具有较高的强度,而且表现出优异的韧性和类似金属材料非灾难性的断裂特征．复合材料的主要力学性能指标为：弯曲强度 ８６０ＭＰａ,断裂位移 １．２ｍｍ,断裂韧性４１．５ＭＰａ·ｍ１／２,断裂功２８．１ｋＪ·ｍ－２,冲击韧性３６．０ｋＪ·ｍ－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。     

先驱体转化Cf/SiC复合材料微观结构与渗透性能研究

采用气泡法和扫描电镜(SEM)研究了先驱体浸渍-裂解(PIP)工艺制备三维编织和2.5D-Cf/SiC复合材料的内部结构及渗透性能.结果表明,材料内部孔隙率为10%～20%,孔尺寸从几百微米到不足1μm不等,平均贯通孔径小于10μm;碳纤维编织方式是影响复合材料孔结构、贯通孔尺寸分布及渗透性的重要因素,材料渗透系数与平均贯通孔径呈正比,与孔隙率无直接联系.     

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.