SiC微粉加入对PIP法制备3D-Cf/SiC复合材料的影响

本文采用聚合物先驱体浸渍-裂解法(Precursor infiltration pyrolysis,PIP)制备出三维碳纤维增强SiC基复合材料(3D-C/SiC),研究了不同含量的SiC微粉对其制备周期、材料致密性和材料抗弯强度的影响.实验结果表明,先驱体溶液中加入适量SiC微粉可缩短3D-C/SiC的制备周期.材料致密度与抗弯强度随着先驱体中纳米SiC含量增加而不断增强,当含量达到11.76％时,材料致密度与抗弯强度达到最高,继续增加SiC微粉含量材料致密度与抗弯强度呈下降趋势.     

热压辅助先驱体裂解制备Cf/SiC复合材料的研究

以聚碳硅烷为先驱体 ,采用先驱体转化法制备三维编织Cf SiC复合材料。研究发现 ,第一次裂解时采用热压辅助可以明显提高材料的致密度和力学性能。第一次在 160 0℃、10MP的条件下热压裂解 60min ,后续真空浸渍—常压裂解处理五个周期所制得的材料具有较高的力学性能 ,其弯曲强度和断裂韧性分别为 5 64MPa、16MPa·m1 2 。讨论了制备工艺对材料结构和性能的影响     

惰性填料SiC对C/C-SiC复合材料制备及烧蚀性能影响研究

以纳米SiC粉为惰性填料,采用先驱体浸渍裂解法制备C/C-SiC复合材料,研究了不同纳米SiC含量浆料对复合材料致密过程及烧蚀性能的影响。结果表明,不同纳米SiC含量浆料对制得的复合材料性能有很大的影响,添加纳米SiC粉质量分数为16.67%时制得的复合材料性能最优,其最终密度为1.86 g/cm~3,开孔率为6.93%,线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.0041mm/s和0.0013g/s。     

SiCf/SiO2复合材料的制备及界面层对其力学性能的影响

以碳化硅(SiC)纤维为增强体,采用真空浸渍法制备了2.5维连续SiC纤维增韧的SiO2基(SiCf/SiO2)复合材料,研究了SiC纤维编织体上不同的界面层对SiCf/SiO2复合材料力学性能的影响.化学气相渗透(CVI)法制备的热解碳(PyC)和PyC/SiC双层界面层分别使材料的抗弯强度由无界面层的52.2 MPa提高至67.4 MPa和180.3 MPa,但均使材料的韧性降低.用扫描电镜观察了材料的断口形貌,结果表明,PyC和PyC/SiC层不仅提高了材料的抗弯强度,而且增加了基体同纤维间的结合力,使基体有效地将载荷传递给纤维.PyC/SiC层能有效地保护SiC纤维,防止烧结过程中释放出的结晶水对纤维的损伤,有助于提高材料的力学性能.     

C/C预制体密度对C/C-SiC复合材料致密性及弯曲性能的影响

以纳米SiC粉为惰性填料,采用先驱体浸渍裂解法制备C/C-SiC复合材料,研究了C/C预制体密度对复合材料致密性和弯曲性能的影响。结果表明,纳米SiC粉的添加能有效抑制先驱体裂解过程中的体积收缩,提高致密度。C/C预制体密度对制得的复合材料性能有很大的影响,其中用密度为1.24 g/cm3的C/C预制体制得的复合材料试样性能最优,其最终密度为1.80g/cm3,开孔率为7.32%,弯曲强度达220 MPa。     

碳含量对反应熔渗法制备SiC晶须增强碳化硅陶瓷性能的影响研究

以SiC晶须作为增强体,通过酚醛树脂高温碳化裂解获得碳包覆的SiC晶须,与纳米碳化硅粉体、炭黑混合均匀形成复合陶瓷乙醇浆料.经过干燥、造粒、成型和排胶后获得SiCw-C-SiC素坯,利用反应熔渗法制备高体积分数的SiC晶须增强SiC陶瓷基复合材料.研究了碳黑含量对复合材料力学性能与显微结构的影响.通过扫描电镜照片显示,碳包覆的SiC晶须经高温反应熔渗后仍保持表面的竹节状形貌,且晶须与碳化硅基体间形成适中的界面结合强度,材料断口处有明显的晶须拔出;当炭黑含量为15wt％时,抗弯强度和断裂韧性达到最高值分别为315 MPa和4.85 MPa·m1/2,比未加晶须的SiC陶瓷抗弯强度提高了25％,断裂韧性提高了15％;当炭黑含量为20wt％时,复合材料中残留部分未反应的炭黑,制约其力学性能的提高.     

SiC/SiC复合材料高温面内剪切强度测试方法研究

以三维四向编织方式的碳化硅纤维预制体为增强相,选用聚碳硅烷为先驱体浸渍剂,采用聚合物先驱体浸渍裂解工艺制备了SiC纤维增强SiC陶瓷基(SiC/SiC)复合材料,进而采用自主设计研制的陶瓷基复合材料高温面内剪切测试夹具对SiC/SiC复合材料进行高温面内剪切强度测试,分析研究了试样形状尺寸、加载速率、夹具材料等对SiC/SiC复合材料高温面内剪切强度测试结果的影响,并分析了夹具材料、测试环境等对测试夹具寿命的影响,最终优化确认出一套较优的针对SiC/SiC复合材料的高温面内剪切强度测试方法。     

多孔重结晶碳化硅陶瓷的烧结颈结构调控与力学性能

结合气固反应和重结晶烧结,制备了烧结颈结构可控的多孔重结晶SiC陶瓷。首先以微米SiC颗粒作为骨架,通过SiO气体和纳米炭黑的高温气固反应得到纳米碳化硅均匀分布的预烧结体;再对预烧结体进行重结晶处理,通过纳米SiC颗粒的低温蒸发凝聚获取高纯度的SiC多孔陶瓷。研究了重结晶过程中烧结温度对多孔SiC陶瓷的烧结颈、显微形貌、以及力学性能的影响规律。结果表明:SiC晶粒之间的烧结颈参数(烧结颈直径/微米SiC晶粒直径,d/d0)决定了多孔材料的抗弯强度。随着烧结温度增加,纳米SiC颗粒的饱和蒸气压升高,加速了蒸发–凝聚的进行,物质传输总量增加,多孔SiC材料的d/d0值增加,抗弯强度迅速升高,达到峰值后,基本保持不变或者略有下降。温度高于2100℃时,骨架SiC微米颗粒会发生分解反应产生残碳,导致材料的抗弯强度降低。原位合成的纳米SiC含量为20%,在Ar气氛中于2000℃保温1h后,材料组织性能最优,烧结颈面积的平均值为15.91μm~2,d/d_0值为99.7%,气孔率为42.4%,抗弯强度高达75.7MPa,其性能优于商用柴油颗粒物过滤材料。     

改性纳米碳化硅/聚氨酯弹性体复合材料的制备

采用KH-560与KH-550反应得到新的硅烷偶联剂改性纳米碳化硅(SiC);再以2,4-甲苯二异氰酸酯(TDI)、聚氧化丙烯醚二醇(PPG2000)为原料合成预聚体,改性纳米SiC为填料、3,3’-二氯-4,4’-二氨基二苯甲烷(MOCA)为扩链剂,制备了改性纳米SiC/聚氨酯弹性体(PUE)复合材料。讨论了改性前后的纳米SiC添加量对复合材料的力学性能、耐磨性能和热稳定性的影响,并用扫描电镜分析了改性前后的纳米SiC在基体中的分散性。结果表明,改性后的纳米SiC在基体中的分散性优于纳米SiC,当改性纳米SiC质量分数为9%时,改性纳米SiC/PUE复合材料的力学性能达到最佳,耐磨性能明显改善,热失重温度提高了33℃。     

模压压力对SiC/SiC复合材料力学性能及力学行为的影响

采用热模压辅助聚合物先驱体浸渍裂解工艺制备了国产近化学计量比SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料,通过阿基米德排水法和SEM技术对SiC/SiC复合材料致密化过程进行表征,采用弯曲强度、拉伸强度和断裂韧性对SiC/SiC复合材料力学性能和力学行为进行评价。研究表明,热模压压力是影响材料结构和性能的重要因素,热模压在提升材料致密度的同时,亦造成纤维的损伤。随着热模压压力的增加,SiC/SiC复合材料力学性能先增加后降低。热模压压力适中时,致密度增加因素占优,材料力学性能较为优异;热模压压力较大时候,热模压操作对纤维性能的损伤因素逐渐凸显,基体致密化和纤维损伤两种作用机制相当。     

Preparation of reaction bonded silicon carbide (RBSC) using boron carbide as an alternative source of carbon

RBSC composites are fully dense materials fabricated by infiltration of compacted mixtures of silicon carbide and carbon by molten silicon. Free carbon is usually added in the form of an organic resin that undergoes subsequent pyrolysis. The environmentally unfriendly pyrolysis process and the presence of residual silicon are serious drawbacks of this process. The study describes an alternative approach that minimizes the residual silicon fraction by making use of a multimodal particle size distribution, in order to increase the green density of the preforms prior infiltration. The addition of boron carbide provides an alternative source of carbon, thereby eliminating the need for pyrolized organic compounds. The residual silicon fraction in the RBSC composites, prepared according to the novel processing route, is significantly reduced. Their mechanical properties, in particular the specific flexural strength is by 15% higher than the value reported for RBSC composites prepared by the conventional approach.     

三维碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料的研究

采用结构为(PyC/SiC)n的多层复合模式的界面层,依次用化学气相渗透法和先驱体转化法相结合的增密工艺制备出三维Nicalon-SiCf/SiC陶瓷基复合材料.所研制的材料具有较高的强度,而且表现出优异的韧性和类金属材料非灾难性断裂特征.复合材料的主要性能指标为:体积密度2.42 g/cm3,弯曲强度530 MPa.     

低压化学气相渗透法制备2.5维SiCf/SiC复合材料

采用低压化学气相渗透法制备了具有和不具有热解炭界面层的2.5维连续SiC纤维增强的SiC复合材料(SiCf/SiC).SiC纤维的体积分数为30%和41%.所制备复合材料的气孔率为20%左右.当纤维为30%时,沉积有0.1 μm热解炭界面层的复合材料的弯曲强度由未加热解炭界面层的232MPa增加到328MPa,而且材料由灾难性断裂转变为非灾难性断裂.在同一制备条件下,纤维体积分数为41%的SiCf/SiC比30%的SiCf/SiC具有更高的气孔率.纤维为41%时,热解炭界面层厚度为0.1 μm的SiCf/SiC的弯曲强度只有244MPa,但是它具有更高的韧性和更长的纤维拔出长度.     

Effect of 1600°C Heat Treatment on C/SiC Composites Fabricated by Polymer Infiltration and Pyrolysis with Allylhydridopolycarbosilane

Fiber-coating debonding observed by transmission electron microscopy is suggested as the cause for an ∼60% reduction in strength after one cycle of 1600°C heat treatment in a carbon/silicon carbide (C/SiC) composite fabricated by polymer infiltration and pyrolysis with pure allylhydridopolycarbosilane polymer as the matrix precursor. Infiltration with a slurry of SiC powder and the polymer precursor was effective in preserving the coating integrity and composite strength. This study demonstrates that the addition of powder in polymer infiltration and pyrolysis process may impact composite mechanical properties significantly by altering the fiber-matrix interface characteristics.     

碳化硅材料中游离硅及游离碳对性能的影响

研究了全碳粉反应渗硅碳化硅（PCRBSC）材料的结构与力学性能的关系。分析了渗硅碳化硅材料中游离硅（fsi),游离碳（fc)含量对抗折强度的影响。结果表明：参硅碳化硅材料中随游离硅（fsi)含量的增加,其抗折强度下降,并且二者呈直线关系,符合线性复合规划,另一方面,游离碳（fc)含量较高的渗硅碳化硅材料,尽管游离硅（fsi)含量低,但其抗折强度低于等量或较多游离硅（fsi)含量的渗硅碳化硅材料的抗折强度。     

SiC纳米线增强反应烧结碳化硅陶瓷的性能研究

以单晶SiC纳米线作为增强体,碳化硅-碳为陶瓷基体,在1550℃下,采用反应烧结制备碳化硅基陶瓷复合材料(SiCnf/SiC).结合X射线衍射、万能试验机和扫描电镜等检测和分析,研究SiC纳米线对复合材料的微结构和力学性能的影响.研究表明:与未加入SiC纳米线的反应烧结碳化硅陶瓷相比,添加SiC纳米线的复合陶瓷的抗弯强度和断裂韧性都得到显著的提高,抗弯强度提高了52％,达到320 MPa(SiC纳米线含量为12wt％),断裂韧性提高了40.6％,达到4.5 MPa· m1/2(SiC纳米线含量为15wt％);反应后的SiC纳米线仍然可以保持原有的竹节状结构,且随着SiC纳米线的加入,复合陶瓷的断口可以观察到SiC纳米线拔出现象.但由于SiC纳米线“架桥”的现象,添加过量的纳米线会降低复合陶瓷的密度和限制复合陶瓷力学性能的提高.同时还讨论了SiCnf/SiC的增强机理.     

Three-Dimensional Carbon/Silicon Carbide Composites Prepared by Chemical Vapor Infiltration

Continuous-carbon-fiber-reinforced silicon carbide composites (C/SiC) were prepared by chemical vapor infiltration in which the preforms were fabricated with the three-dimensional braid method. The mechanical properties and microstructures were investigated. For the composites with no interfacial layer, flexural strength and fracture toughness increased with density of the composites, and the maximum values were 520 MPa and 16.5 MPa·m^1/2, respectively. The fracture behavior was dependent on the interfacial bonding between fiber/matrix and fiber bundle/bundle which was determined by the density of the composites. Heat treatment had a significant influence on the mechanical properties and fracture behavior. The composites with pyrolysis interfacial layers exhibited characteristic fracture and relatively low strength (300 MPa).     

Fabrication and characterization of a new-style structure capillary channel in reaction bonded silicon carbide composites

A new-style structure capillary channel was fabricated by using boron carbide powder mixtures with an appropriate multimodal particle size distribution to promote the liquid silicon infiltration in reaction bonded silicon carbide composites. Two types of core–rim structure were observed and the secondary SiC produced in the siliconisation reaction existed in two forms: nucleating on the original SiC and occupying the original positions of the residual silicon. The size of the secondary SiC in the latter form was in a range of tens to hundreds nanometers. These nano-sized SiC grains and the additive of fine boron carbide particles refined the crystalline structure and broke up the residual silicon phase into small pieces. Using this method, the microstructure was refined and the mechanical properties improved significantly. The lowest residual silicon volume fraction was 4.0% and the flexural strength and fracture toughness reached peak values of 526 ± 21 MPa and 6.2 ± 0.4MPa m^1/2, respectively.     

化学气相渗透法制备2维和2.5维C/SiC复合材料及其拉伸性能

采用化学气相渗透法制备了2维和2.5维碳纤维增强碳化硅(carbon-fiber-reinforced silicon carbide,C/SiC)复合材料,沿经纱(纵向)和纬纱(横向) 2个方向对2种复合材料进行了室温拉伸性能测试,并从预制体结构和原始缺陷分布的角度对比分析了两者力学性能之间的差异.结果表明:两种C/SiC复合材料均表现出明显的非线性力学行为,在经纱方向和纬纱方向上,2维C/SiC复合材料力学性能表现为各向同性,而2.5维C/SiC复合材料力学性能则表现出明显的各向异性:经纱方向上2.5维C/SiC复合材料的拉伸强度和拉伸模量(326 MPa,153 GPa)均高于2维C/SiC复合材料的(245 MPa,96 GPa),纬纱方向上的(145 MPa,62 GPa)均低于2维C/SiC复合材料的(239 MPa,90 GPa).两种复合材料的拉伸断裂行为均表现为典型的韧性断裂,并伴有大量的纤维拔出.两种复合材料中纱线断裂均呈现出多级台阶式断裂方式,但其断裂位置并不相同.2.5维C/SiC复合材料中由于经纱路径近似于正弦波,弯曲程度较大,在纱线交叉点处造成明显的应力集中,因此经纱多在纱线交叉点处断裂;而纬纱由于其路径近乎直线,应力集中现象不明显,因此纬纱断裂位置呈随机分布.2维C/SiC复合材料中经纱和纬纱由于其路径类似于2.5维C/SiC复合材料中的经纱,因此其断裂位置也多在纱线交叉点处.微观结构观察表明不同的编织结构是造成两种复合材料在不同方向上力学性能差异的主要原因.