SiC/SiC复合材料制备技术研究进展

SiC/SiC复合材料具有耐高温、低密度、抗氧化、抗热震、耐烧蚀等特性,被广泛地应用于航空、航天、能源、交通等领域。简单介绍了SiC陶瓷、SiC/SiC复合材料,并综述了前驱体浸渍热解技术(PIP)、化学气相渗透技术(CVI)、浆料浸渗-热压技术(SI-HP)和反应性熔体浸渗技术(RMI)制备SiC/SiC复合材料的研究进展。     

液态搅拌铸造SiC_p/ZL101复合材料研究

利用改进的机械搅拌法在液态下将氧化态SiC_p分散进ZL101合金液中,制备了SiC_p/ZL101复合材料。对该复合材料的复合工艺、组织和常规力学性能进行了研究。结果表明,SiC_p/ZL101复合材料中SiC_p分布均匀,与基体结合良好,SiC_p与基体界面上存在Mg和Si的富集。与基体合金相比,SiC_p/ZL101的硬度、抗拉强度和耐磨性,尤其是重载下的耐磨性显著提高,塑性虽然降低,但通过优化工艺可以使之降低得最少。     

Fe/SiC金属基复合材料的研究

研究了一种新型的Fe/SiC金属基复合材料的界面反应和烧结机理 ,并分析了工艺过程及参数对材料性能的影响。结果表明 ,在 1 0 50℃左右烧结时能有效控制界面反应 ;界面反应及材料的烧结以固相扩散为主 ;碳化硅粒子表面涂覆金属镀层及基体合金化既能有效改善界面结合又能提高材料的力学性能 ,尤其是耐磨性的提高最为显著。     

CVI法制备SiCp/SiC复合材料的氧化性能研究

对用CVI法制备的SiCp/SiC复合材料的氧化性能进行了研究。材料含有的气孔和破坏氧化膜连续性的杂质元素,为氧气扩散提供通道;氧化过程中形成的气孔,导致了新的自由表面的暴露和空气扩散通道,进而加剧氧化。在材料的高温氧化过程中,SiC的氧化生成SiO2膜导致试样质量增加,玻璃碳界面层的氧化生成CO的逸出导致试样质量损失。最后的质量变化是这两种综合作用的结果。在高温氧化过程中,材料的空隙增多,应力集中加强,界面层被破坏使SiCp/SiC复合材料的强度下降。     

2D C/SiC复合材料烧蚀性能分析

采用氧-乙炔烧蚀试验研究了2DC/SiC复合材料的烧蚀性能,并对2DC/SiC复合材料在氧-乙炔焰流烧蚀条件下的烧蚀机理和烧蚀物理模型进行了初步探讨。结果表明,密度对材料的烧蚀性能有显著的影响,随着密度的增加,材料的线烧蚀率呈下降的趋势,当密度提高3.4%时,材料的线烧蚀率下降65%。同时,C/SiC复合材料在氧-乙炔条件下的烧蚀机制是热氧化烧蚀、热物理烧蚀和机械冲刷的综合作用。     

CVI法制备SiCp/SiC复合材料的力学性能研究

对用CVI法制备的SiCp/SiC复合材料的力学性能进行研究。研究表明:材料表现出脆性断裂的破坏失效特征;SiCp/SiC复合材料内部颗粒间、团聚体之间残留的微孔和孔隙等薄弱环节使材料的强度降低;复合材料基体和增强相之间有一层由树脂热解而产生的玻璃碳,造成界面的弱结合,使材料强度不高。     

SiC对热压制备SiC/Ti3SiC2复合材料的影响

以钛粉、硅粉、炭黑为主要原料,利用热压烧结技术制备SiC/Ti_3SiC_2复合材料。借用扫描电镜和X射线衍射,探索SiC对复合材料的相组成、组织结构、力学性能及电导率的影响。结果表明:在25 MPa压力下,热压烧结1 500℃,可制备高致密、均匀的复合材料;SiC对提高SiC/Ti_3SiC_2复合材料的相组成、力学性能有很大影响,当碳化硅质量分数为20%,复合材料弯曲强度为373 MPa,断裂韧性为5.4 MPa·m1/2,材料性能得到明显提高;纯样Ti_3SiC_2材料的电导率最强,为4.18 MS/m。在基体中,Ti_3SiC_2层状晶粒相互交错形成连续的网状结构,Ti_3SiC_2作为导电颗粒转移的电子越多,试样电导率越高。     

C/SiC复合材料主动冷却超燃冲压发动机燃烧室研究

超燃冲压发动机燃烧室（简称超燃室）使用燃料冷却复合材料部件,可减轻系统质量,降低结构复杂性,是开发工作到Ma=8的超燃冲压发动机关键技术之一。描述了AC3P计划、PTAH-SOCAR计划在开发主动冷却C／SiC复合材料结构超燃室方面所做的试验研究及有助于进行主动冷却分析的正-12烷热分解模型验证情况。     

TiC/Ti3SiC2复合材料的制备及其性能研究

以粉末Ti,Si,TiC和炭黑为原料,采用反应热压烧结法制备TiC/Ti3SiC2复合材料。借助XRD和SEM研究TiC含量对TiC/Ti3SiC2复合材料相组成、显微结构及力学特性的影响。结果表明:通过热压烧结可以得到致密度较高的TiC/Ti3SiC2复合材料;引入TiC可以促进Ti3SiC2的生成,当引入TiC的质量分数达30%,TiC/Ti3SiC2复合材料的弯曲强度和断裂韧性分别为406.9 MPa,3.7 MPa.m1/2;复合材料中Ti3SiC2相以穿晶断裂为主,TiC晶粒易产生拔出。     

搅拌温度对双粒径混合SiCp/ZL107复合材料的影响

采用搅拌熔铸法制备双粒径SiCp/Al复合材料,利用扫描电镜（SEM）、电子万能试验机研究搅拌温度对复合材料的微观结构以及力学特性的影响。结果表明：SiC含量随着搅拌温度的升高而增加,在585℃两种粒径混合的SiC颗粒弥散分布在基体上,随温度继续升高,基体出现明显的贫SiC区域;复合材料的抗压强度、抗弯强度以及最大弯曲挠度均随着搅拌温度的升高先增大后减小,在585℃达到最大值,力学特性较纯铝、单一粒径的SiCp/ZL107复合材料有明显提高。SiC颗粒的分布以及界面结合强度决定复合材料的断裂机制。     

超燃冲压发动机用复合材料技术的研究状况

通过联合技术研究中心(UTRC)和法国国营飞机发动机研制公司(SNECMA)实施的复合材料超燃冲压发动机的联合研究(JCS)计划,研究了C／C和C／SiC复合材料制造超燃冲压发动机的燃烧室的可能性,与金属制造的超燃冲压发动机比较．证明能减轻质量并提高安全系数。选用SNECMA公司生产的复合材料应用在吸气发动机燃烧室内点火／稳定的预燃室的典型非冷却壁板。这些结构件由联合小组设计,SNECMA公司生产,并于2001年6月,在联合技术研究中心(UTRC)超燃冲压发动机试验装置上,在马赫数7的飞行条件下成功地进行了试验。同时,美国空军与法国武器装备部,在联合超燃冲压发动机框架内共同进行了AC3P研究,并提供经费开发C／SiC主动冷却技术。它将作为未来的结构材料可能取代目前碳氢燃料超燃冲压发动机金属材料．在进行材料和结构研究的同时,生产了几种壁板对其进行了试验。2003年4月在空军研究实验室(AFRL)对SNECMA公司制造的密封复合材料热交换器进行了最终试验。介绍了SNECMA公司有关JCS应用技术的研究状况并预测未来的研究。     

热压制备Ti3SiC2/MgAl2O4复合材料及其性能研究

采用反应热压烧结法制备Ti3SiC2/MgAl2O4复合材料,研究MgAl2O4含量对该复合材料致密化程度、显微结构以及力学性能的影响。结果表明:MgAl2O4和Ti3SiC2两相之间具有很好的化学相容性;MgAl2O4的引入对该复合材料的烧结致密度影响不明显;MgAl2O4晶粒镶嵌在Ti3SiC2晶粒的层片之间,相互穿错搭接,可以有效地阻止裂纹的扩展;适当的MgAl2O4可以改善复合材料的力学性能,当MgAl2O4的质量分数为20%时,其抗弯强度达到421.4 MPa,当MgAl2O4的质量分数为10%时,其断裂韧性达到4.27 MPa.m1/2。     

温度对SiCp/Al复合材料接头力学性能的影响

用Al-12Si-20Cu-1Mg-1Ni合金为钎料,对质量分数为55%的SiC_p/ZL102复合材料进行真空钎焊,钎焊温度为560、570、580、590、600℃,保温时间为30 min。对不同温度下焊接接头的显微组织、维氏硬度、抗剪切强度、断口形貌进行分析。结果表明:随着钎焊温度增加,接头的剪切强度先增后降,焊接温度为590℃时,钎料与母材间的结合最好,焊缝中心与母材处的硬度值最大,为250.5HV和161.79HV,同时焊接接头的抗剪切强度达最大值60.4 MPa,焊接接头呈脆性断裂和韧性断裂共存的混合断裂形貌。     

SiC/Zr基非晶复合材料的动态断裂特性研究

利用Hopkinson压杆冲击加载装置和扫描电子显微镜(SEM),对SiC骨架/Zr基非晶合金复合材料圆柱形试样进行了相关的应力-应变响应和动态断裂特征及断口形貌的研究。结果表明:SiC骨架/Zr基非晶合金复合材料的动态压缩强度随冲击压力的增大而递增,当冲击压力为0.6 MPa时,复合材料的动态压缩强度为855 MPa;断裂表面呈现典型的结晶状断口,断裂模式为脆性断裂和劈裂混合破坏模式;非晶基体在动态压缩条件下出现了显著的热软化和熔化特征。     

La2O3/Al2O3氧化物添加比对Csf/SiC复合材料力学性能的影响

利用热压烧结技术制备高致密度的短碳纤维增韧碳化硅陶瓷基（Csf/SiC）复合材料。研究稀土氧化物添加比对烧结后Csf/SiC复合材料微观结构、力学性能和增韧机制的影响。结果表明：随着烧结助剂中La2O3含量增加,烧结后材料中SiC颗粒平均粒径减小,相对密度逐渐降低,而强度和韧性则先增加后降低;颗粒桥连、纤维拔出和裂纹偏转是该材料体系的主要增韧方式 。     

SiC_W/Al及SiC_P/Al复合材料疲劳研究进展

从循环变形特性、疲劳强度、疲劳微裂纹的萌生和长大、疲劳裂纹的扩展几个方面,总结了SiC_W/A1及SiC_P/A1复合材料疲劳研究的现状,指出了今后尚需开展的工作。     

LSI低成本制备Cf/SiC复合材料工艺研究

采用一次性液相硅浸渍法(LSI)制备低成本的Cf/C-SiC复合材料。以PAN基平板碳毡为增强体,在酚醛树脂溶液中添加碳化硅微粉,探讨添加碳化硅浓度、浸渍压力及保压时间等因素对一次液相浸渍效果的影响。通过显微分析,当压力为1.2 MPa,浸渍时间为60 min时,可以获得最大的致密度,最终复合材料密度达2.64 g/cm3。     

搅拌温度对双粒径混合SiC_p/ZL107复合材料的影响

采用搅拌熔铸法制备双粒径SiCp/Al复合材料,利用扫描电镜(SEM)、电子万能试验机研究搅拌温度对复合材料的微观结构以及力学特性的影响。结果表明:SiC含量随着搅拌温度的升高而增加,在585℃两种粒径混合的SiC颗粒弥散分布在基体上,随温度继续升高,基体出现明显的贫SiC区域;复合材料的抗压强度、抗弯强度以及最大弯曲挠度均随着搅拌温度的升高先增大后减小,在585℃达到最大值,力学特性较纯铝、单一粒径的SiCp/ZL107复合材料有明显提高。SiC颗粒的分布以及界面结合强度决定复合材料的断裂机制。     

SiC涂层炭/炭复合材料的高温烧蚀性能

采用蒸镀法在高密度的炭/炭(C/C)复合材料表面制备SiC涂层,选用电弧驻点烧蚀试验技术考察SiC涂层后C/C复合材料的烧蚀性能,并探讨其烧蚀机理。结果表明,SiC涂层后,C/C复合材料的耐烧蚀性能有所提高,且烧蚀均匀性得到改善,SiC涂层的烧蚀起到瞬时的保护作用,适用于C/C复合材料在高温烧蚀条件下的短时间保护。     

SiC/C遗态陶瓷的制备工艺研究

以苎麻纤维为生物模板,经溶胶-凝胶浸渍工艺获得苎麻/SiO2前驱体A和苎麻/酚醛树脂/SiO2前驱体B,在真空炉中经1 500℃碳热还原反应制备得SiC/C遗态陶瓷。采用TG-DTG、XRD和SEM等技术分别对材料的热解行为、物相构成和显微结构进行分析与表征,利用阿基米德法测定试样的显气孔率。结果表明:SiC/C遗态陶瓷继承苎麻纤维的天然结构形貌,其物相中包含有β-SiC相和石墨化程度较低的C相;由苎麻/SiO2前驱体A制备的试样组织结构疏松,界面结合较差,显气孔率高,纤维形貌更为完整;由苎麻/酚醛树脂/SiO2前驱体B制备的试样组织结构致密,界面结合较好,显气孔率低。