挤压铸造法制备可变形SiCP/Al复合材料的组织与性能

通过在SiC颗粒预制块中加入铝粉的方法制备了颗粒含量可控的SiC颗粒预制块,并用挤压铸造法制备了可变形SiC_P/Al复合材料。通过对颗粒体积含量为25%的SiC_P/Al复合材料进行热挤压变形,研究了挤压变形的可行性及其对复合材料组织与性能的影响规律。实验结果表明,用本文中提出的新工艺制备的25vol%SiC_P/Al复合材料可以成功地进行挤压比为25∶1的热挤压变形,并且热挤压变形可以明显提高复合材料的强度、刚度和塑性。     

SiCP/Al复合材料的拉伸性能

对高体积分数碳化硅颗粒增强铝基(SiC_P/Al)复合材料的拉伸强度进行了试验研究。发现在较高应力水平下经过2次卸载的试件与未做卸载的试件相比,拉伸强度变化很小,说明加载-卸载过程对材料的拉伸强度影响不大。在试验研究的基础上,使用ANSYS软件建立了有限元模型,对SiC_P/Al复合材料的拉伸特性进行了仿真模拟。研究结果表明,低体积分数SiC_P/Al复合材料的力学性能更接近塑性材料;而高体积分数SiC_P/Al复合材料的力学性能则接近于脆性材料。拉伸强度模拟计算误差非常小,基体破坏是导致高体积分数SiC_P/Al复合材料破坏的主要因素。     

原始SiC颗粒表面及SiCP/Al复合材料界面化学状态的研究

本文采用X射线光电子谱(XPS)和俄歇能谱技术(AES)对原始SiC颗粒表面和粉末冶金法制备的SiC_P/Al复合材料界面的化学状态进行了研究.结果表明:原始SiC颗粒表面主要存在SiC、SiO₂、游离C、吸附氧、Fe₂O₃等;SiC_P/Al复合材料界面存在Mg偏聚和氧元素.由热力学分析可知,Mg元素能够向界面偏聚,并可能与界面处的氧反应生成MgO.     

稀释中间复合材料法制备SiCP/356Al的研究

本文探索了一种制备SiC_P/Al的新工艺方法,即稀释中间复合材料法,以避免通常用来制备SiC_P/Al的复合铸造法中存在的浸润性差、气孔率高、存在氧化夹杂及颗粒偏聚等问题。结果表明,用该法能成功地制备10vol%和15vol%SiC_P/Al复合材料,其拉伸性能比用复合铸造法制备的同样材料高10%,且气孔率显着降低,X-rays衍射和TEM分析结果表明,该工艺过程中没有发生明显的界面反应,工艺参数的选择是合理的。     

压铸SiCw/Al复合材料的热物理性能研究

本文对用挤压铸造法制备的SiC_w/Al复合材料的热膨胀系数和热传导率进行了测试和分析。结果表明;随温度的提高,SiC_w/Al复合材料和铝合金的热膨胀系数均明显增加。经人工时效处理的复合材料热膨胀系数比铸态略有降低,而经-196℃深冷处理的复合材料表现出最低的热膨胀系数。另外,随晶须含量的提高,SiC_w/Al复合材料的热膨胀系数明显降低,并且热传导率有所下降。     

SiCP/ZA27复合材料界面微结构分析及高温蠕变性能

利用透射电镜分析和高温持久硬度试验,研究了SiC_P/ZA27复合材料界面微结构和高温蠕变性能。结果表明,SiC_P/ZA复合材料具有较好的高温蠕变性能。对其试样进行微观分析,基体中的η相和增强相SiC_P都能显著提高ZA27合金的高温蠕变性能。     

纳米SiC晶须和SiC颗粒混合增韧ZrB2陶瓷性能

分别采用纳米SiC晶须(SiC_W)、SiC颗粒(SiC_P)及SiC_W与SiC_P共同增韧ZrB₂陶瓷,在1950℃、20 MPa压力、氩气气氛下热压烧结制备了致密的SiC/ZrB₂陶瓷材料。研究了SiC_W和SiC_P的添加量对于SiC/ZrB₂陶瓷材料的显微结构、力学性能的影响,并分析了SiC_W和SiC_P对ZrB₂陶瓷力学性能影响的协同作用和增韧机制。结果表明：含15 vol% SiC_W 的复合材料的韧性达到8.08 MPa·m1/2,含15 vol% SiC_P的复合材料的韧性达到8.515MPa·m1/2,共同添加15 vol% SiC_W和15 vol%SiC_P的复合材料的韧性最高达到9.03 MPa·m1/2。SiC/ZrB₂复合材料强度和韧性提高的原因在于SiC_W和SiC_P抑制ZrB₂晶粒长大,促进ZrB₂的致密化,此外,SiC_W和SiC_P的协同作用也有助于材料韧性的提高。     

增强体SiCP对SiCP/Al复合材料腐蚀行为的影响

通过周期浸润腐蚀实验研究了不同SiC颗粒尺寸(70、90、140、220μm)和不同SiC颗粒体积分数(42%、49%、55%)的SiC_P/Al复合材料在酸性环境中的腐蚀行为。采用失重法、金相显微镜、X射线衍射仪以及扫描电镜分别计算腐蚀速率、观测微观组织、分析腐蚀产物的物相组成以及观察表面形貌。结果表明：腐蚀前期,SiC_P/Al复合材料的耐腐蚀性能随着颗粒尺寸的减小而降低,腐蚀中后期,耐蚀性能随着颗粒尺寸的减小反而有一定程度的提高;SiC颗粒的存在一方面促进了点蚀的成核,另一方面又打断了基体的连续性,改变了点蚀的生长方式,抑制了点蚀的进一步扩展;SiC_P/Al复合材料的耐腐蚀性能随着颗粒体积分数的提高而降低,其腐蚀产物主要为氧化铝和非晶态硫酸铝化合物。     

疲劳氧化环境中3D SiCf/SiC复合材料损伤演变

研究了疲劳氧化环境中3D SiC_f/SiC复合材料损伤演变,并对该环境中SiC_f/SiC复合材料的失效机制进行了分析。结果表明,疲劳氧化环境中3D SiC_f/SiC复合材料的损伤主要为：基体开裂;热解碳界面相脱粘、氧化及取向性排列;纤维断裂、氧化及其结构的改变。这些损伤使氧化性气体通过基体开裂形成的裂纹不断氧化复合材料内部;界面相脱粘和取向性排列使纤维更容易拔出;纤维的氧化、纤维中无定形碳的增多以及SiC晶粒的长大导致纤维强度降低。     

12 vol%SiCP/2024Al基复合材料热挤压过程有限元模拟与分析

基于MSC.Marc软件平台,建立了含SiC_P体积分数为12%的SiC_P/2024Al复合材料热挤压轴对称刚-塑性热力耦合有限元分析模型。利用该模型对复合材料的热挤压过程进行模拟,分析了热挤压过程中的载荷-行程曲线和材料流动状态,讨论了模具温度及挤压速度对挤压载荷的影响。模拟结果表明,该坯料在挤压比为30∶1、挤压温度为400～450℃、挤压速度为0.1～1.0 mm/s、挤压载荷为4.0 ×106～5.0 ×106N之间能够顺利挤出表面无缺陷的复合材料棒材。最后通过在 700 t水压机上采用相同工艺挤出高质量的复合材料棒材验证该工艺的可行性。     

纤维类型对纤维增强SiC基复合材料性能的影响

对比了采用先驱体浸渍法制备的三种不同纤维增强SiC基复合材料的性能差异,并从材料的微观结构特征入手分析了差异产生的原因。通过研究发现,采用Hi-Nicalon纤维增强的SiC基复合材料具有较好的性能,单向复合材料弯曲强度达到703.6 MPa, 断裂韧性达到23.1 MPa·m1/2;采用国产吉林碳纤维(JC)制备的SiC基复合材料也具有较好的性能,弯曲强度为501.1 MPa,断裂韧性为13.8 MPa·m1/2。      

表面镀铝及附着碳化硅微粒的高模碳纤维与铝的压铸复合特性

采用挤压铸造法直接制备了高模碳纤维、离子喷镀铝碳纤维及附着SiC微粒的碳纤维增强铝复合材料,考察了碳纤维与铝的压铸复合特性。结果表明,纯碳纤维和喷镀1μm铝层的碳纤维与铝的压铸复合持性差,而且镀铝碳纤维的铝镀层预热时发生氧化,形成氧化物界面层,但附着SiC微粒的碳纤维与铝的压铸复合特性好,纤维在铝基体中均匀分散,被铝浸润,纤维与纤维无相互接触。实验初期制备的复合材料的轴向拉伸强度为600MPa。SiC微粒的主要作用是间隔纤维,形成利于熔融铝浸透纤维的通道,使铝与纤维能较好地复合。     

Mechanical behavior of SiCf/SiC composites with alternating PyC/SiC multilayer interphases

In order to tailor the fiber–matrix interface of continuous silicon carbide fiber reinforced silicon carbide (SiC_f/SiC) composites for improved fracture toughness, alternating pyrolytic carbon/silicon carbide (PyC/SiC) multilayer coatings were applied to the KD-I SiC fibers using chemical vapor deposition (CVD) method. Three dimensional (3D) KD-I SiC_f/SiC composites reinforced by these coated fibers were fabricated using a precursor infiltration and pyrolysis (PIP) process. The interfacial characteristics were determined by the fiber push-out test and microstructural examination using scanning electron microscopy (SEM). The effect of interface coatings on composite mechanical properties was evaluated by single-edge notched beam (SENB) test and three-point bending test. The results indicate that the PyC/SiC multilayer coatings led to an optimum interfacial bonding between fibers and matrix and greatly improved the fracture toughness of the composites.     

颗粒分散技术在真空液相浸渗制备Cf/Al复合材料中的应用

采用真空反压液相浸渗工艺,以碳纤维增强铝为研究对象,探讨了M40J纤维增强AlMg10复合材料制备工艺中,SiC及淀粉分散颗粒对复合材料微观组织及性能的影响。结果表明,碳化硅可以减少铝液在束内的浸渗阻力,并使纤维分布均匀,从而提高复合材料构件的成型性和力学性能。经过5%SiC+3%淀粉溶液的分散后,复合材料的体积分数由72%降低到51%,而复合材料的拉伸强度提高了131MPa,达到498MPa。     

Improvement of SiCf/SiC density by slurry infiltration and tape stacking

SiC fiber-reinforced SiC–matrix ceramic composites (SiC_f/SiC) were fabricated by vacuum infiltration of a SiC slurry into Tyranno™-SA grade-3 fabrics coated with a 200 nm-thick pyrolytic carbon (PyC) layer followed by hot pressing using a transient eutectic-phase. The density of the composite was improved using a special infiltration apparatus with a pressure gradient and alternating tape insertion between fabrics. Their overall properties were compared with those of monolithic SiC and composite containing chopped fibers. Although the density of the composites decreased with increasing fiber fraction, SiC_f/SiC containing 50 vol.% fibers had a density of 3.13 g/cm³, which is the highest reported thus far. The composites containing continuous fibers had a maximum flexural strength of 607 MPa and a step increase in the stress–displacement behavior during the three-point bending test due to fiber reinforcement, which was not observed in the monolith.     

纤维初始构形对金属基复合材料微观组织的影响

研究了束簇纤维预制型中纤维束内原丝自然分布、框架涂层结构和颗粒混杂三种初始形对液相浸渗效果及微观组织的作用，实验发现：纤维自然排布时浸渗缺陷的存在是必然的，浸渗压力的提高只能减小而不能完全消除该缺陷；采用框架结构涂层首先填充预制型中细小尖角空隙后，可在较低的压力下实现完全浸渗；颗粒与纤维的混杂使纤维相互分离，消除了细小空隙而使纤维束内完整充填；与框架结构相比，混杂后浸渗形成的复合材料中纤维相互分离     

Cf/SiC制备过程中纤维热应力损伤研究

采用束丝碳纤维和聚碳硅烷先驱体浸渍裂解工艺制成C_f/SiC丝束,并进行了分析表征,研究了其中的纤维受损情况。实验结果表明,由于先驱体聚碳硅烷在浸渍裂解时倾向于以纤维为依托进行热解,并且其中较多量的氧及杂质的存在将对纤维造成损伤,因而会形成较强的纤维基体界面;纤维基体热膨胀系数失配等因素造成的热应力将使纤维进一步受损。      

高性能纤维及其增强热塑性工程塑料的发展

本文首先叙述了一些主要的高性能纤维,如碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、混杂纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维、氮化硅纤维等的基本性能和制备方法;进而叙述了这些高性能纤维增强的热塑性工程塑料（ＰＡ、ＰＯＭ、ＰＥＴ、ＰＢＴ、ＰＰＳ、ＰＰＯ、ＰＳＦ、ＰＥＥＫ 等） 性能;并提出了对我国发展高性能纤维及其增强热塑性工程塑料的几点看法。     

Interlaminar shear strength of SiC matrix composites reinforced by continuous fibers at 900 °C in air

To reveal the shear properties of SiC matrix composites, interlaminar shear strength (ILSS) of three kinds of silicon carbide matrix composites was investigated by compression of the double notched shear specimen (DNS) at 900 °C in air. The investigated composites included a woven plain carbon fiber reinforced silicon carbide composite (2D-C/SiC), a two-and-a-half-dimensional carbon fiber-reinforced silicon carbide composite (2.5D-C/SiC) and a woven plain silicon carbon fiber reinforced silicon carbide composite (2D-SiC/SiC). A scanning electron microscope was employed to observe the microstructure and fracture morphologies. It can be found that the fiber type and reinforcement architecture have significant impacts on the ILSS of the SiC matrix composites. Great anisotropy of ILSS can be found for 2.5D-C/SiC because of the different fracture resistance of the warp fibers. Larger ILSS can be obtained when the specimens was loaded along the weft direction. In addition, the SiC fibers could enhance the ILSS, compared with carbon fibers. The improvement is attributed to the higher oxidation resistance of SiC fibers and the similar thermal expansion coefficients between the matrix and the fibers.     

SiC/PyC复合涂层碳纤维微观结构及氧化行为研究

采用两步法在碳纤维表面制备了碳化硅/热解碳(SiC/PyC)复合涂层,PyC内涂层的制备采用等温化学气相渗透法,SiC外涂层的制备采用碳热还原法.借助X射线衍射、场发射扫描电镜、透射电镜分析了SiC/PyC复合涂层碳纤维的物相组成以及微观结构,利用热重分析研究了SiC/PyC复合涂层、PyC涂层以及无涂层碳纤维的氧化行为.结果表明,在碳纤维表面制备的SiC/PyC复合涂层连续致密、厚度均匀,PyC内涂层厚度约为200nm,SiC外涂层厚度约为160nm,SiC层中存在大量孪晶面高度有序的SiC孪晶.SiC/PyC复合涂层能够有效地改善碳纤维的抗氧化性能,较无涂层碳纤维起始氧化温度提高了近250℃.