SiCf/SiC复合材料界面相研究进展

分析了连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMCs)中界面相类型以及各界面相在CFRCMCs中的作用,综述了热解碳(PyC)、氮化硼(BN)、难熔氧化物以及复合界面相在SiCf/SiC复合材料中的应用现状,最后展望了SiCf/SiC复合材料界面相的发展方向。     

三维碳化硅纳米线增强碳化硅陶瓷基复合材料的电磁屏蔽性能

碳化硅纳米线具有优异的电磁吸收性能, 三维网络结构可以更好地使电磁波在空间内被多次反射和吸收。通过抽滤的方法制备得到体积分数20%交错排列的碳化硅纳米线网络预制体。然后采用化学气相渗透工艺制备热解炭界面和碳化硅基体, 并通过化学气相渗透和前驱体浸渍热解工艺得到致密的SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料。甲烷和三氯甲基硅烷分别是热解炭和碳化硅的前驱体, 随着热解碳质量分数从21.3%增加到29.5%, 多孔SiCNWs预制体电磁屏蔽效率均值在8~12 GHz (X)波段从9.2 dB增加到64.1 dB。质量增重13%的热解碳界面修饰的SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料在X波段平均电磁屏蔽效率达到37.8 dB电磁屏蔽性能。结果显示, SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料在新一代军事电磁屏蔽材料中具有潜在应用前景。     

SiCf/SiC复合材料制备研究进展

随着科学技术的不断发展,人类对极端条件下应用的材料的需求持续上升.SiCf/SiC复合材料具有耐高温、高强高韧、耐氧化等优点,成为航空航天领域热端部件的理想候选材料;同时,SiCf/SiC复合材料还具有低活化、抗辐照、高温化学稳定性好等优异性能,在核电领域结构材料的应用具有广阔的前景.常用的SiCf/SiC复合材料的制备方法有化学气相渗透法、先驱体浸渍裂解法、热压烧结工艺和熔融浸渍法,其中化学气相渗透法和先驱体浸渍裂解法两种工艺已经应用于航空发动机静载热端部件的生产,但是这些工艺自身固有的不足在材料制备中依然无法较好地解决,于是近年来出现了混合采用多种工艺来制备SiCf/SiC复合材料的尝试.SiC纤维和基体间需要有一层界面层来偏转裂纹、保护纤维,目前常用的界面材料有热解炭和六方氮化硼涂层,由于单一涂层较难满足材料在多种复杂条件下的应用需求,针对涂层改进的新方法和新思路层出不穷.相对于传统烧结工艺,新型烧结方式如微波烧结和放电等离子烧结等在烧结速度、温度均匀性等方面展示出巨大的优势,为陶瓷基复合材料的制备提供了新的选择.为了进一步提升SiCf/SiC复合材料的性能,近年的研究工作主要集中在对SiCf/SiC复合材料的制备方法的优化、纤维/基体界面层的创新和对烧结技术的选择等方面.本文从这些方面对SiCf/SiC复合材料的研究进展进行了详细的归纳和介绍.     

C/SiC陶瓷基复合材料研究与应用现状

碳纤维增强碳化硅(C/SiC)陶瓷基复合材料具有低密度、高强度、耐高温、耐磨等综合性能，已成为重要的热结构材料体系之一，目前已成功应用于航空发动机热结构部件、飞行器热防护系统、制动系统以及核结构部件等。本文主要综述了C/SiC陶瓷基复合材料在制备方法和应用领域的研究进展，介绍了一系列具有代表性的C/SiC复合材料的制备方法，重点关注多种制备方法相结合的混合工艺，概述了C/SiC复合材料在航空航天热结构和热防护、刹车材料、空间相机结构等领域的应用，展望了更优异的混合制备工艺以及针对不同应用要求的复合材料新体系，以便为今后C/SiC陶瓷基复合材料的进一步研究提供参考。     

热解炭过渡层-中间相沥青基炭/炭复合材料的微观结构

借助偏光显微镜、扫描电镜、透射电镜对具有热解炭过渡层的中间相沥青基炭/炭复合材料的微观结构进行了研究。结果表明:材料的基体由热解炭和中间相沥青炭组成,在偏光显微镜下均呈现出光学各向异性。材料内部形成了多层次的界面结构,热解炭与纤维的界面连续,界面层内的石墨微晶择优取向度较高,晶格条纹排列规整;中间相沥青炭与热解炭界面不连续,为"裂纹型"界面,界面层内主要为非晶态碳。材料中炭纤维、热解炭、中间相沥青炭的石墨微晶大小逐渐增大,择优取向度逐渐增高,晶格条纹的排列逐渐规整。片层条带状结构的中间相沥青炭以及材料内的微裂纹平行于炭纤维轴向。     

纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料高导热性能研究进展

作为一种先进的高温结构及功能材料,高效传热和高温耐热相结合对纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(silicon carbide matrix composites, SiC CMC)在热管理领域(thermal management, TM)中的应用至关重要。常见的纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料,如碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(C_f/SiC或C_f/C-SiC)、碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC_f/SiC)等,增强纤维的石墨化程度较低,难以形成有效的热输运网络。本文综述了纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料制备及高导热性能等方面的最新研究进展。可通过引入高导热相、优化界面结构、粗粒化碳化硅晶体、设计预制体结构等方式提高纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的热输运能力。此外,展望了纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料发展趋势,即综合考虑影响高导热碳化硅陶瓷基复合材料性能要素,灵活运用复合材料结构与性能的构效关系,以期制备尺寸稳定、性能优异的纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。     

3D-C_f/SiC陶瓷基复合材料研究进展

三维碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(3D-Cf/SiC)因其各种优异性能已在各领域广泛应用。针对国内外研究现状,总结了三维编织复合材料特性、3D-Cf/SiC的最新制备工艺与界面问题以及Cf/SiC作为高温热结构材料和支撑结构材料的应用现状。最后展望了3D-Cf/SiC的发展趋势并指出对3D-Cf/SiC的研究将一直是碳化硅陶瓷基复合材料界研究的重点和难点。     

界面相对3D-SiC/SiC复合材料静态力学性能及内耗特征的影响

采用先驱体浸渍裂解工艺制备无界面、SiC、PyC和PyC/SiC等界面相SiC/SiC复合材料,研究了SiC/SiC复合材料的微观结构及静态力学性能,并通过强迫振动法系统分析了界面相对复合材料内耗行为的影响。研究结果表明,引入界面相有效改善了复合材料的微观结构及力学性能,并降低了复合材料的内耗。其中, PyC/SiC复相界面中亚层SiC限制了PyC界面相与纤维的结合及塑性形变,提高了复合材料的力学性能;同时,界面相对SiC/SiC复合材料内耗行为有显著影响,材料内耗水平与界面剪切强度成反比。对比50和350℃时的材料内耗变化率发现,随界面剪切强度增大,材料内耗呈降低的趋势,且含有PyC的PyC/SiC界面复合材料具有较低的内耗变化率,说明PyC/SiC复相界面的SiC/SiC复合材料更适于高温振动环境。     

连续纤维增强SiCf/SiC陶瓷复合材料的发展

连续纤维增强SiCf／SiC陶瓷基复合材料具有良好的高温力学性能、抗氧化性和化学稳定性，是航空航天和核能等领域新的高温结构材料研究的热点之一。回顾了增强体连续SiC纤维的发展，综述了SiCf／SiC材料的成型制备工艺、界面相对力学性能的影响和目前的应用研究，展望了连续纤维增强SiCf／SiC陶瓷基复合材料以后的研究重点及发展前景。     

复合界面层对SiCf/SiC复合材料力学损伤行为的影响

SiC_f/SiC陶瓷基复合材料在航空航天领域具有广阔的应用前景,其界面层设计是研究重点。研究表明,复合界面层可以有效提升陶瓷基复合材料的抗氧化性能,但其对材料力学性能及损伤机制的影响尚不明确。本研究利用化学气相渗透法(CVI)制备得到具有BN及(BN/SiC)₃复合界面层的小复合材料,探究了复合界面层对SiC_f/SiC复合材料失效机制的影响。基于两种力学加载实验结合声发射探测分析了两种界面层小复合材料的损伤过程。实验结果表明,利用CVI制备的小复合材料界面结构清晰,基体致密。两类小复合材料均具有SiC_f/SiC陶瓷基复合材料的典型力–位移曲线,不同界面层小复合材料损伤过程具有不同的力声特征。通过两类力学加载试验的声发射特征能够有效分析小复合材料各阶段损伤发展情况。本实验中BN及(BN/SiC)₃复合界面层SiC_f/SiC小复合材料最大承受载荷分别为139和160 N,复合界面层小复合材料中的多层界面具有更强的偏转裂纹能力,降低裂纹延伸至纤维的速度,进而提高...     

BN/SiC复合界面层对SiC纤维和PIP-Mini复合材料力学性能的影响

采用化学气相渗透(CVI)工艺,在SiC纤维表面沉积BN和BN/SiC复合界面层,对沉积界面层前后纤维的力学性能进行了评价。采用聚合物浸渍裂解(PIP)工艺进行致密化,制得以原纤维、BN界面层和BN/SiC界面层纤维增强的三种Mini-SiCf/SiC复合材料,研究其微观结构和拉伸性能。结果表明:采用CVI工艺制得的界面层厚度均匀、结构致密,其中BN界面层中存在六方相,晶体尺寸为1.76 nm; SiC界面层结晶性较好,晶粒尺寸为18.73 nm;沉积界面层后SiC纤维的弹性模量基本保持不变,拉伸强度降低。与SiCf/SiC相比, PIP工艺制备的SiCf/BN/SiC和SiCf/(BN/SiC)/SiC-Mini复合材料所能承受的最大拉伸载荷和断裂应变明显提升, BN界面层起主要作用。由断面形貌分析可以看出, SiCf/BN/SiC和SiCf/(BN/SiC)/SiC复合材料的纤维拔出明显,说明在断裂时消耗的能量增加,可承受的最大载荷增大。     

碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料的研究进展

对碳化硅纤维（SiCf)增强陶瓷基复合材料（CMCS）的研究现状与进展作了较系统的论述。讨论了SiCf增强CMCS的界面层作用,热膨胀系数不匹配对材料的影响,高温抗蠕变抗疲劳性能及抗氧化性能等。最后指出了SiCf增强CMCS作为高温结构陶瓷材料的研究方向以及尚等解决的问题。     

C(B) materials as interphases in SiC/SiC model microcomposites

A specific test procedure has been developed to compare the high temperature lifetimes of SiC/SiC microcomposites with various interphases in air and under mechanical loading. The interphases, namely pure pyrocarbon (PyC) or C(B) materials with uniform or variable boron contents in the thickness, were prepared by chemical vapour deposition (CVD). Uniform addition of boron in PyC interphases improved their oxidation resistance and consequently the lifetimes of the microcomposites. However, room temperature tensile tests have shown that this improvement occurs to the detriment of the mechanical properties even when a non-brittle behaviour is maintained. In the case of variable boron contents, compositional gradient interphases (CGI) in which boron content increases from the fibre interface to the matrix interface allow the mechanical fuse properties of PyC to be combined with the oxidation resistance of a C(B) material. This revised version was published online in November 2006 with corrections to the Cover Date.     

氧化物/氧化物陶瓷基复合材料的研究进展

氧化物/氧化物陶瓷基复合材料(CMCs )具有很多优良的性能, 如高比强度、高比模量、优异的抗氧化性能等, 可应用于航空发动机燃烧室和尾喷管等热端部件。本文概述了氧化物/氧化物CMCs的增强纤维和陶瓷基体, 指出单晶氧化物纤维和莫来石陶瓷基体应用潜力较大; 从改善纤维/基体界面结合程度的角度出发, 综述了从界面相和多孔基体角度提高力学性能的方案; 分析了限制其应用的三个关键问题(缺口敏感度、蠕变容忍度和耐烧蚀性能), 最后对其未来发展进行了展望。     

An investigation into a multilayered BN/Si3N4/BN interfacial coating

In order to prevent environmental degradation of the interface, a triplex coating was employed as the interface in ceramic matrix composites (CMC). This interface consists of an initial BN layer followed by a Si₃N₄ layer and lastly another BN layer. Single strand unidirectional mini-composites using BN/Si₃N₄/BN coated ceramic grade Nicalon? fibers as the reinforcement and chemical vapor infiltrated (CVI) SiC as the matrix were fabricated to understand the initial properties of the interfacial coating. Field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) confirmed the thickness of the triplex coating before and after mini-composite fabrication. FE-SEM micrographs after mechanical and environmental testing of the single strand unidirectional mini-composites showed the consequences of using the triplex interfacial coating. Finally, eight ply continuous fiber reinforced (CFR) CMCs with the BN/Si₃N₄/BN triplex interface and the traditional BN/Si₃N₄ duplex interface were fabricated using the polymer impregnation and pyrolysis (PIP) process. The PIP process has gained popularity in recent years and this allows for the fabrication of larger CMC panels as compared with the CVI process. Mechanical testing for the PIP-fabricated CFR-CMC panels showed that the composites using the triplex interface had better mechanical properties than those fabricated with a BN/Si₃N₄ duplex interface after environmental testing.     

SiC陶瓷纤维力学性能评价

耐高温SiC陶瓷纤维是CMCs的主要增强体.SiC纤维必须有适宜的物理、化学、机械性能,包括刚度(杨氏模量)、强度、抗蠕变性、耐氧化性,这些性能是制约CMCs工业应用的重要因素.本文总结了SiC陶瓷纤维符种力学性能状况,包括强度、模量与测试温度和室温的关系以及与时效的关系,蠕变行为及热处理、氧化、时效对其影响,断裂行为及热处理和氧化的影响.最后,对SiC陶瓷纤维力学性能发展方向提出了建议.     

螺旋碳纤维的制备:形貌控制与生长机理

螺旋碳纤维自被发现以来,因其独特的三维螺旋结构引起了研究人员的关注.探究螺旋碳纤维的制备方法及其影响因素,对研究螺旋碳纤维的生长机理有着重要的作用.螺旋碳纤维是具有规则螺旋线圈或扭转结构的碳纤维,目前制备的螺旋碳纤维主要有单螺旋碳纤维和双螺旋碳纤维.碳纤维具有密度小、拉伸强度高、拉伸模量高、热导率好、导电以及电磁屏蔽波特性等特点,并且其力学性能、热性能及电性能都具有显著的各向异性.螺旋碳纤维不但具有与碳纤维类似的优异性能,并且所具有三维螺旋结构还赋予其良好的弹性、独特的电磁学以及生物催化等特性,在电子器件、手征催化、智能材料、隐身吸波材料、高性能和多功能复合材料等领域有着潜在的应用前景.然而,如何得到螺旋形貌规整的碳纤维、螺旋碳纤维的手性拆分和分散问题以及螺旋碳纤维的规模性可控制备一直是研究的难点和关键.近年来,研究者们一直对螺旋碳纤维的生长机理及生长动力进行探究,通过构建合理的生长模型表明促进剂以及催化剂的晶型和尺寸等对碳纤维的双螺旋结构有着关键影响.目前已能通过调控不同的制备条件制得形貌规整、结构均一的螺旋碳纤维,对其在各个领域的应用进行了一定的探索并取得了很大的成功.研究者们通过将螺旋碳纤维作为填料分散在复合材料中,利用螺旋碳纤维优异的性能,提高复合材料的综合性能或赋予复合材料的多功能性,以期实现复合材料在各个领域的应用.本文归纳了螺旋碳纤维的制备与生长机理的研究进展,分别对螺旋碳纤维的制备条件以及研究者们对生长机理模型的探究进行了介绍,总结了通过调控制备方法、碳源种类、反应温度、催化剂种类、促进剂以及碳源与氢气进气量比值等条件下所得到的螺旋碳纤维的差异,从而对螺旋碳纤维的生长机理进行推测和讨论.本文分析了现阶段螺旋碳纤维所面临的问题并对螺旋碳纤维未来的发展进行了展望,以期为螺旋碳纤维的进一步可控制备和产业化发展提供参考.     

Micro/minicomposites: a useful approach to the design and development of non-oxide CMCs

Micro (one single filament) and mini (one single fiber tow) non-oxide composites (C/C; C/SiC and SiC/SiC) with simple (PyC or BN) or complex interphases [C (B) or (PyC-SiC)_n multilayers] are fabricated in a short time by CVD/CVI. The fiber/matrix interfacial zone is characterized by AES and TEM. Tensile tests are used to assess the mechanical properties and the Weibull statistical parameters of both the fiber and matrix, as well as the fiber–matrix interfacial parameters (τ_i; l_d; G_ic). The tensile stress–strain behavior has been modelled. The tensile curves exhibit the same features as those previously reported for real nD-composites. Lifetime at high temperatures in air is characterized through static/cyclic fatigue tests and modelled. It is improved by replacing conventional pyrocarbon by highly engineered interphases. The micro/mini composite approach is used in the optimization of processing conditions and to derive parameters necessary for the modelling of the thermomechanical and chemical behavior of composites with more complex fiber architectures.     

Health monitoring in continuous glass fibre reinforced thermoplastics: Tailored sensitivity and cyclic loading of CNT-based interphase sensors

In this study, we report on different approaches for tailoring the resistance as well as the sensitivity of interphase sensors based on carbon nanotubes (CNTs). The two main aspects in affecting their initial resistance as well as the sensitivity of the systems during mechanical loading are the yarn coating content and the CNT-weight fraction of the coating. Varying those factors, the conducted tensile tests show that the initial resistance as well as the sensitivity of the interphase sensors can be adjusted within a certain range. Additionally, it is shown that glass fibre (GF)-yarns with low coating contents allow identifying critical loads for the interphase, which are found to be below the ones for GF failure. Performing cyclic tensile loading above and below this critical stress value has a significant effect on the interphase life-time. In order to assess the interphase damage quantitatively, new parameters based on the resistance change are introduced. Those parameters allow for direct comparison and characterisation of different GF modifications, i.e. interphases, during mechanical testing by cyclic loading of the interphase sensors.     

多功能一体化MAX相改性连续纤维增韧陶瓷基复合材料的研究进展

连续纤维增韧陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites, CMCs)因其优异的性能在航空发动机、空天飞行器热防护系统、核能电站等领域具有广泛的应用前景。现阶段, CMCs的应用已由单一结构承载向多功能一体化发展。MAX相是一类能够发生塑性变形的三元层状陶瓷, 具有高导电、抗辐照和抗烧蚀等优异性能, 将其引入CMCs可实现强韧化与抗辐照/抗烧蚀/电磁屏蔽效能的协同提高, 满足多功能一体化CMCs的应用需求。本文综述了MAX相作为CMCs界面相和基体相的研究进展, 阐述了其设计机理, 并展望了MAX相在CMCs中的应用前景。