SiC/SiC复合材料及其应用

日本开发的Nicalon和Tyranno两种品牌的SiC纤维占有世界上绝对性的市场份额。SiC/SiC复合材料典型的界面层是500 nm厚的单层热解碳(PyC)涂层或多层(PyC-SiC)n涂层,在湿度燃烧环境及中高温条件下界面层的稳定性是应用研究的重点。SiC/SiC复合材料,包括CVI-SiC基体和日本开发的Tyranno hex和NITE-SiC基体等,具有耐高温、耐氧化性和耐辐射性的特点,在航空涡轮发动机部件、航天热结构部件及核聚变反应堆炉第一壁材料等方面正开展工程研制应用。     

SiC纤维及其增强SiCf/SiC复合材料的研究进展

SiC_f/SiC复合材料的低密度、耐高温、抗环境腐蚀及抗氧化等突出性能,使其在航天及空天飞行器的热端部件、热防护结构、发动机热端部件及核工业等领域取得了重大应用,是新一代最佳的高温结构材料。SiC纤维作为增强相,自身抗拉强度高、抗蠕变性能好、兼具耐高温、抗氧化等优点,且与陶瓷基体有着优异的相容性,可使陶瓷复合材料克服脆性,具有韧性,极大地推动了陶瓷复合材料的应用。文章以碳化硅纤维研发技术的三个重要发展阶段为例,详细阐述了碳化硅纤维的制备方法及性能特点,同时对碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料的不同制备工艺进行了介绍,并分析了该复合材料当前国内外的应用现状,文章简述了SiC_f/SiC复合材料的发展及推广前景。     

Cf/SiC 复合材料的 ZrB2-SiC/SiC 超高温陶瓷涂层研究

采用两步包埋法在Cf/SiC复合材料表面制备了Zr B_2-SiC/SiC超高温陶瓷涂层。借助SEM、XRD对涂层的微观结构及物相组成进行了分析研究,并进行了高温静态氧化和热震测试。研究表明,1500°C氧化5 h后,涂层表面覆盖有平整的玻璃相氧化层,氧化失重率为6.4%;热震测试10次后涂层的氧化失重率为14%。Zr B_2-SiC/SiC涂层能有效提高Cf/SiC复合材料的高温抗氧化性能。     

CE/EP/纳米SiC复合材料研究

采用纳米SiC和环氧树脂(EP)对双酚A型氰酸酯树脂(CE)进行改性。研究了不同含量的纳米SiC对CE/EP/纳米SiC复合体系反应性及CE/EP/纳米SiC复合材料力学性能的影响,采用透射电子显微镜表征了材料的微观形貌,利用差示扫描量热法研究了固化树脂的热性能。结果表明,纳米SiC对CE/EP/纳米SiC复合体系具有明显的催化作用,并且能使复合材料的冲击强度提高123.62%,弯曲强度提高140.29%,有效发挥其增强增韧作用,还能很好地保持复合材料的耐热性能。     

SiC/SiC复合材料抗氧化界面相的研究现状及展望

SiC/SiC复合材料具有耐高温、抗氧化、耐烧蚀、抗热震等优异性能,是航空航天领域理想的高温结构材料。界面相是影响SiC/SiC复合材料性能的关键因素之一。依据陶瓷基复合材料界面相设计理念的不同,本工作将SiC/SiC复合材料界面相分为层状结构、难熔氧化物、稀有金属盐、多元陶瓷4大类,综述了各类界面相的材料种类与形式、力学及抗氧化性能改性效果、性能影响因素及作用机理、存在的问题,并对未来发展趋势进行了展望。     

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。     

硅液相浸渍反应制备TiC/SiC和TiN/SiC复相陶瓷

以滤纸、酚醛树脂和氧化钛为原料,经过模压成型、固化、碳化及不同条件下渗硅制备了TiC/SiC和TiN/SiC复相陶瓷。通过X射线衍射和扫描电子显微镜研究了TiC/SiC和TiN/SiC复相陶瓷的微观结构和物相组成,测量了复相陶瓷的弯曲强度和断裂韧性。结果表明:真空条件下液态渗硅获得的TiC/SiC复相陶瓷具有多孔的微观结构,其弯曲强度和断裂韧性较小。氮气气氛下液态渗硅制备的TiN/SiC复相陶瓷结构致密,有较高的弯曲强度和断裂韧性。不同反应生成的TiC,TiN陶瓷颗粒对液态硅的润湿性不同,使得生成的复相陶瓷具有不同的微观结构。TiN/SiC复相陶瓷中TiN颗粒的引入,在基体与第二相颗粒间的界面上产生拉应力和压应力,使达到这一区域的裂纹偏转,从而获得增韧效果。     

SiC/Al复合材料的进展

SiC/Al预成型丝(SiCNICALON/Aluminum Preform Wire)是一种新开发的制备金属基复合材料的中间素材,具有很好的性能获得了有关方面的关注。木文对SiC/Al预成型丝的制备,性能及用它制备的金属基复合材料的工艺和性能作了评述。     

C_f/SiC复合材料生产工艺研究

Cf/SiC复合材料克服了单一SiC材料韧性低、烧结过程中晶粒长大造成强度下降等缺点 ,本文就Cf/SiC复合材料的生产工艺进行了综述     

Cf/SiC复合材料生产工艺研究

Cf／SiC复合材料克服了单一SiC材料韧性低、烧结过程中晶粒长大造成强度下降等缺点，本文就Cf／SiC复合材料的生产工艺进行了综述。     

基体改性对SiC/SiC复合材料高温抗氧化性能的影响

采用先驱体浸渍-裂解工艺结合三种基体改性方式制备了SiC/SiC复合材料,通过形貌分析和力学性能测试,分析了基体改性对Si C/SiC复合材料高温抗氧化性能的影响。研究表明,经1200℃静态空气氧化100h后,三种基体改性的复合材料弯曲强度几乎没有下降,氧化200h后,弯曲强度保留率均可达到80%;氧化300h后,复合材料内部结构没有氧化现象,表面区域界面层的氧化程度降低。改性基体中的B元素氧化生成液相封填SiC涂层表面,延缓了SiC涂层的氧化进程,并阻止氧化介质进入复合材料内部,保护纤维和界面层,从而使SiC/SiC复合材料的长时静态高温抗氧化性能明显提高。     

SiC组分含量对SiC/Cu复合材料力学性能的影响

采用真空热压法制备了不同配比的SiC/Cu金属陶瓷复合材料.利用阿基米德原理测定了复合材料的密度及气孔率;利用Instron万能材料电子试验机测得其三点弯曲强度;采用Hv-1000显微硬度仪测试其显微硬度,采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对烧成样品的物相组成和断口显微形貌进行表征.结果表明:随着SiC组分含量的增加,SiC/Cu复合材料的致密度、抗弯强度均有所下降,而气孔率和显微硬度显著增加.在750 ℃,30 MPa压力作用下,保温3 min,制备得到的30SiC/70Cu(vol%)的复合材料,具有最优的力学性能,其显微硬度达到2087.2 MPa,抗弯强度为174.0 MPa.SiC/Cu复合材料的断裂行为既表现出一定的微观韧性特征,又表现出一定的脆性特征.     

Ti3SiC2/SiC复相陶瓷的抗氧化性研究

利用热等静压原位合成技术制备了Ti3SiC2/SiC复相陶瓷,对其高温氧化行为进行了研究.结果表明,Ti3SiC2/SiC复相陶瓷在空气中静态氧化时的氧化增重符合抛物线规律,有比纯Ti3SiC2更好的抗氧化性能,并且在1400℃的长时抗氧化性能优于1200℃.     

A ZrB2–SiC/SiC oxidation protective dual-layer coating for carbon/carbon composites

In order to improve the oxidation resistance of C/C composites, a ZrB₂–SiC/SiC oxidation protective dual-layer coating was prepared by a pack cementation combined with the slurry paste method. The phase and microstructure of the coating were characterised by X-ray diffraction, scanning electron microscope and energy-dispersive spectrometer analyses. The anti-oxidation and thermal shock resistance of the coating were also investigated. It was found that the ZrB₂–SiC/SiC coating could effectively improve the oxidation resistance of the C/C composites. The weight loss of the coated samples was only 1.8% after oxidation at 1773?K for 18?h in air. The coating endured 20 thermal shock cycles between 1773?K and room temperature with only 4.6% weight loss.     

PIP法制备SiC纳米线增强SiC_f/SiC复合材料及其力学性能

利用化学气相沉积法原位生长Si C纳米线,制备出Si C纳米线增强Si Cf/Si C复合材料。研究了Si C纳米线及Si C纳米线/基体热解碳界面调控对复合材料的力学性能、裂纹扩展行为、纤维与基体之间的结合强度的作用。研究表明:Si C纳米线的引入能显著提高复合材料的致密化效果。通过调控Si C纳米线/基体的界面厚度,可显著提高复合材料的力学性能。Si C纳米线的引入提高了纤维/基体的界面结合强度,而Si C纳米线表面热解碳的引入可改善纤维/基体的界面结合强度。此外,碳化硅纳米线及其界面调控,能有效优化基体的微区力学行为及断裂模式。     

Mechanical behaviour and microstructure of Cf/ZrC,Cf/SiC and Cf/ZrC – SiC composites

Cf/ZrC, Cf/SiC and Cf/ZrC–SiC composites were successfully prepared by polymer infiltration and pyrolysis (PIP) using polycarbosilane and a liquid ZrC precursor. The densification process, mechanical properties and microstructures were studied in a view of comparison. After the same total 20 PIP cycles, the Cf/ZrC, Cf/SiC and Cf/ZrC–SiC composites had flexural strengths of 50.1±5.3, 285.7±22.6, 141.5±13.1?MPa respectively; elastic moduli of 7.8±0.9, 57.1±3.2 and 45.1±2.6?GPa respectively; and fracture toughness of 2.5±0.2, 10.4±0.9 and 10.9±1.1?MPa m^1/2 respectively. With the introduction of high modulus SiC phase into the ZrC matrix, the densification and modulus of the matrix were improved; as a result, the Cf/ZrC–SiC composite showed higher mechanical properties compared to Cf/ZrC.     

SiC陶瓷/SiC陶瓷及SiC陶瓷/Ni基高温合金SHS焊接中的界面反应及微观结构研究

采用加压自蔓延高温合成（ＳＨＳ） 焊接工艺,连接ＳｉＣ陶瓷／ＳｉＣ陶瓷以及ＳｉＣ陶瓷／Ｎｉ 基高温合金． 为了得到牢固的界面结合,实验了多种焊料配方． 而且基于润湿性、亲合性、ＳＨＳ起爆温度及界面反应的可能性等多方面的考虑,设计并实验了多层焊料配方． 微观结构显示,液相反应产物对ＳｉＣ 陶瓷的润湿性很好． 液相能够渗入陶瓷的表面开孔之中,而且界面结合很好． 成分分析证实,界面处发生了界面扩散,这有助于界面结合强度的提高．     

SiCf/SiC复合材料高温抗氧化研究进展

连续SiC纤维增韧SiC陶瓷基复合材料(SiCf/SiC CMCs)具有低密度、优异的高温力学性能和抗氧化性能,在航空发动机热端部件上具有广阔的应用前景,具备提高发动机推重比和使用温度、减轻无效重量、简化系统结构等显著优势.延长SiCf/SiC复合材料在航空发动机高温氧化环境下的服役寿命是当前需要解决的难题.本文从纤维、界面相、基体、表面涂层四个方面综述了SiCf/SiC复合材料高温抗氧化研究进展.采用多元多层自愈合界面相、对基体进行改性以及采用表面自愈合整体涂层都可以有效提高SiCf/SiC复合材料在高温氧化环境中的使用稳定性和寿命.     

聚合物先驱体法制备SiC/AlN

将乙基铝胺和聚碳硅烷的溶液混合反应,减压蒸去溶剂后制得混合先驱体,后者经裂解烧结而转化为ＳｉＣ／ＡｌＮ,通过ＩＲ和ＴＧ／ＤＴＡ等表征研究了混合过程的交联反应,结合对裂解产物的分析,表明,采用该工艺可提高裂解烧成率,控制裂解产物的成分并有利于提高其中Ｓｉ和Ａｌ分布的均匀程度。     

SiC/FexSiy复合材料抗氧化性能研究

对以铁尾矿为主要原料制备的SiC/FexSiy复合材料进行抗氧化性能实验.变温氧化实验结果表明,复合材料在1000℃下有很好的抗氧化性能,而在1180℃以上氧化明显加剧.随氧化时间的延长,扩散成为控制性环节,表现为保护性氧化.复合材料在整个变温氧化过程中,表现为先失重再增重;1210℃时,增重达到最大值;整个变温氧化过程分为三个阶段:(1)增重阶段;(2)恒重阶段;(3)失重阶段.复合材料的氧化规律服从化学反应控速-混合控速-扩散控速三段模型.通过对复合材料恒温氧化动力学推导,求出材料在不同阶段表观活化能及频率因子,进而可推导出各阶段氧化速度常数k和温度T(K)的经验关系式.