PIP工艺制备C/Zr0.5Hf0.5C-SiC复合材料及其微观结构和弯曲性能

基于自制Zr_0.5Hf_0.5C先驱体和商业化液态聚碳硅烷,通过先驱体浸渍裂解(PIP)工艺成功制备C/Zr_0.5Hf_0.5C-SiC复合材料,研究纤维表面热解C涂层厚度对复合材料微观结构及弯曲性能的影响。结果表明：自制Zr_0.5Hf_0.5C先驱体在1400℃下即可转化生成单一Zr_0.5Hf_0.5C固溶体。因具有良好的渗透性,转化生成的Zr_0.5Hf_0.5C基体同时存在于C/Zr_0.5Hf_0.5C-SiC复合材料的纤维束内和束间,呈包裹SiC基体的层状形貌。C/Zr_0.5Hf_0.5C-SiC复合材料主要由C,SiC和Zr_0.5Hf_0.5C相组成;具有不同热解C涂层厚度(0.67,0.84,1.36μm)的3组复合材料密度分别为2.07,1.9...     

PIP法制备C/SiOC复合材料的微结构演变与力学性能EI

碳纤维增强硅树脂衍生SiOC(C/SiOC)复合材料具有高性价比的优势,是一种应用前景良好的高温结构材料。以碳纤维针刺毡作为增强体,通过先驱体浸渍裂解(precursor infiltration pyrolysis,PIP)工艺制备C/SiOC复合材料。在首周期引入热模压交联工艺,通过优化热模压温度和压力,在不破坏针刺毡结构的前提下,有效提高了纤维体积分数和复合材料致密度,使C/SiOC复合材料的室温弯曲强度和断裂韧度分别提升至331 MPa和16.0 MPa·m^(1/2)。对C/SiOC复合材料的致密化过程的结构演变进行了分析,结果表明,基体优先填充纤维束内孔隙,复合材料的孔隙大部分集中分布在Z向纤维附近。随着制备周期的增加,复合材料的孔隙率逐渐降低,孔隙由连通孔转变为孤立孔。经过8周期“浸渍-交联-裂解”工艺,复合材料基本完成致密化。     

PIP法制备C/SiOC复合材料的微结构演变与力学性能EI北大核心

碳纤维增强硅树脂衍生SiOC(C/SiOC)复合材料具有高性价比的优势,是一种应用前景良好的高温结构材料。以碳纤维针刺毡作为增强体,通过先驱体浸渍裂解(precursor infiltration pyrolysis,PIP)工艺制备C/SiOC复合材料。在首周期引入热模压交联工艺,通过优化热模压温度和压力,在不破坏针刺毡结构的前提下,有效提高了纤维体积分数和复合材料致密度,使C/SiOC复合材料的室温弯曲强度和断裂韧度分别提升至331 MPa和16.0 MPa·m^(1/2)。对C/SiOC复合材料的致密化过程的结构演变进行了分析,结果表明,基体优先填充纤维束内孔隙,复合材料的孔隙大部分集中分布在Z向纤维附近。随着制备周期的增加,复合材料的孔隙率逐渐降低,孔隙由连通孔转变为孤立孔。经过8周期“浸渍-交联-裂解”工艺,复合材料基本完成致密化。     

CVI-PIP工艺制备C/SiC复合材料及其显微结构研究

采用化学气相渗透(CVI)与先驱体浸渍裂解(PIP)两种工艺方法联用制备C/SiC陶瓷基复合材料,通过与单纯PIP工艺的致密化效率比较,复合材料的扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)分析,结果表明:采用CVI-PIP联用的方法制备C/SiC复合材料,致密化程度有明显的提高.CVI沉积SiC基体结晶性较好,为典型的β-SiC晶体结构;而PIP先驱体聚碳硅烷裂解基体为无定型结构,基体结构差异是决定材料结构与性能的关键因素.     

C/SiC复合材料的低温制备工艺研究

陶瓷基复合材料制备温度过高一直是制约其引入主动冷却工艺、突破其本征使用温度的主要原因之一。采用差热(TG-DTA)、红外(IR)、X射线衍射(XRD)等分析测试手段,研究了聚碳硅烷(Polycarbosilane,PCS)的裂解及化学转化过程,从理论上说明了先驱体聚碳硅烷(PCS)低温(1000℃)陶瓷化的可行性。结果表明:聚碳硅烷在750℃实现无机化,880℃开始结晶,即聚碳硅烷在高温合金耐受温度范围(1000℃)内,即可实现陶瓷化。以聚碳硅烷(PCS)为先驱体,炭纤维为增强体,采用先驱体浸渍裂解(PIP)工艺低温制备了炭纤维增强碳化硅(C/SiC)陶瓷基复合材料,当制备温度为900℃时,所制备C/SiC复合材料密度为1.70g/cm3,弯曲强度达到657.8MPa,剪切强度为61.02MPa,断裂韧性为22.53MPa.m1/2,并采用扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的微观形貌进行了分析。     

ZrC改性C/C-SiC复合材料的力学和抗烧蚀性能

采用碳纤维针刺预制体, 用前驱体浸渍裂解(PIP)法分别制备了C/C-SiC和C/C-SiC-ZrC陶瓷基复合材料, 并对材料的微观结构、力学和烧蚀性能进行了分析对比。结果表明:利用该方法可制备出陶瓷相填充充分且分布均匀的复合材料。C/C-SiC-ZrC的面内弯曲强度、厚度方向的压缩强度、层间剪切强度均低于对应的C/C-SiC的。2 200 ℃、600 s氧化烧蚀后, C/C-SiC-ZrC的抗烧蚀性能显著优于C/C-SiC, 其线烧蚀率下降43.8%, 质量烧蚀率下降25%。在超高温阶段, C/C-SiC-ZrC复合材料基体的ZrC氧化生成的ZrO₂溶于SiC氧化生成的SiO₂中, 形成黏稠的二元玻璃态混合物, 有效阻止了氧化性气氛进入基体内部。      

C/C多孔体对C/C-SiC复合材料制备及性能的影响

以准三维针刺碳纤维预制体,经化学气相渗透(CVI)法制备了4种密度的C/C多孔体,利用先驱体浸渍裂解法(PIP)制备了C/C-SiC复合材料,研究了C/C多孔体对C/C-SiC复合材料制备和最终性能的影响。结果表明:C/C多孔体密度越低,最终得到的C/C-SiC复合材料开孔隙率及SiC含量较高。SiC的存在使C/C-SiC材料具有较高的弯曲强度,纤维和基体界面也是影响弯曲强度的关键因素,其中密度为1.35g/cm3的C/C多孔体所制备的C/C-SiC复合材料纤维和基体之间形成较好的结合界面,其弯曲强度最大。同时,SiC含量增加可显著提高C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能。     

C/SiC复合材料的常压制备与性能研究

采用聚碳硅烷作为碳化硅先驱体, 以二维0°/90°正交编织碳布叠层后作为增强体, 采用真空压力浸渍的方法制备了C/SiC复合材料, 研究了裂解温度和浆料浓度对复合材料性能的影响. 结果表明: 复合材料的弯曲强度随着裂解温度的升高以及浆料浓度的增加都呈增加趋势; 基体在纤维束内部分布均匀, 但依然有一些小气孔存在; 在1100℃时, 基体中开始生成一定量的β-SiC相, 复合材料的三点弯曲强度达到232MPa, 断裂韧性达到10.50MPa·m^1/2. 在断裂过程中表现出明显的韧性断裂, 断口有较长的纤维拔出.     

TiCu_(0.5)Al_(0.5)Cr_(0.2)Ni_(0.1)高熵合金微观组织及性能研究

采用X射线衍射仪、光学显微镜、扫描电镜和透射电镜对TiCu_(0.5)Al_(0.5)Cr_(0.2)Ni_(0.1)高熵合金的相组成、相形貌、元素分布进行了系统研究,利用显微维氏硬度计测量了合金在室温下的硬度,通过电子万能试验机对合金进行了室温压缩试验,并在实验室模拟环境下进行合金防腐防污性能研究。结果表明:TiCu_(0.5)Al_(0.5)Cr_(0.2)Ni_(0.1)高熵合金主要由六方晶系Ti(CuAl)_2组成,大块状Ti(CuAl)_2相间存在条状组织,条状为AlCu_2Ti相,条间为CuTi_2相。树枝晶(DR)内Al元素和Cr元素含量较高,枝晶间(ID)Ti元素含量高于枝晶区域,而Ni元素和Cu元素整体分布较均匀。枝晶间(ID)显微硬度平均值为772HV,树枝晶DR显微硬度为690HV,枝晶间(ID)显微硬度高于树枝晶(DR)的;室温压缩强度为1 091 MPa。合金耐腐蚀性能良好,60℃人造海水中合金腐蚀失重量仅为-0.000 05 g,并具备一定的防污功能。     

电泳沉积CNTs掺杂C/C复合材料的微观组织与弯曲性能

采用电泳沉积(EPD)在1k碳布表面均匀加载了碳纳米管(CNTs), 借助化学气相沉积(CVD)致密化碳布叠层预制体, 制备了EPD CNTs掺杂的二维(2D)碳/碳(C/C)复合材料。研究了EPD CNTs对2D C/C复合材料致密化过程、微观组织和弯曲性能的影响。研究结果表明: EPD CNTs在碳纤维表面呈现平面内高密度、杂乱取向分布特征, 该形貌CNTs降低了热解炭在碳纤维预制体内的沉积速率, 诱导了高石墨微晶堆垛高度(L_c)、低(002)晶面面内方向上的沉积有序度(L_a)热解炭的形成; EPD CNTs的掺杂可提高C/C复合材料的弯曲强度和模量: 当CNTs含量为0.74wt%时, 复合材料弯曲强度和模量可达150.83 MPa和23.44 GPa, 比纯C/C复合材料提高了31.4%和13.9%; 继续提高CNTs含量, 复合材料弯曲强度降低, 这与过高含量EPD CNTs导致复合材料密度降低有关; 同时, EPD CNTs的掺杂使得C/C复合材料断裂模式由脆性断裂转变为假塑性断裂, 复合材料断裂塑性的提高是由于EPD CNTs造成的碳基体结构的变化以及碳纤维的大量拔出。     

C/C 复合材料增强体结构对性能影响的研究

研究了四种C/C 复合材料增强体(1K 碳布、3K 碳布、1K 碳布+ 碳纸、1K 碳布+ 特殊碳毡) 结构对弯曲性能的影响。结果表明: 用这四种增强体制备的C/C 复合材料表现出明显的假塑性, 弯曲断口的宏观形貌呈“之”字形, 其总体力学性能良好, 但也具有较大差异。本文作者结合材料的微观形貌对这些特点的成因进行了分析。      

短纤维增强C/C-SiC复合材料的微观结构与力学性能EI北大核心CSCD

综合原料的热物理性能分析和配比设计,实现了C/C复合材料载体孔隙体积的精细控制,采用热压-熔渗两步法在低温条件下制备了具有高致密、低残余Si含量特征的短碳纤维增强C/C-SiC复合材料。系统解析了C/C-SiC复合材料成型过程中的结构演变行为,研究了短纤维增强C/C-SiC复合材料的力学性能和失效机制。结果表明:多孔C/C复合材料载体孔隙的孔径呈双极分布特征,添加芳纶纤维可提高网络孔隙结构的连通性,具有显著的孔隙结构调控作用。SiC基体以网络骨架形态分布于C/C-SiC复合材料内部,与纤维束形成了强界面结合钉扎结构,高含量纤维协同作用下使C/C-SiC复合材料具有优异的综合力学性能,添加芳纶纤维可明显增加复合材料内部裂纹扩展路径,提高C/C-SiC复合材料的断裂韧性。碳纤维的面内各向同性分布及陶瓷相层间均匀分布对C/C-SiC复合材料承载、摩擦稳定性提升均具有积极作用。     

陶瓷前驱体配比对C/C-ZrC-SiC复合材料烧蚀性能的影响

采用聚碳硅烷和有机锆聚合物混合前驱体,通过反复浸渍裂解工艺制备了C/C-ZrC-SiC复合材料,分析了材料的组成与结构,研究了不同陶瓷前驱体配比对材料烧蚀性能的影响。结果表明,复相陶瓷基体由大量ZrC颗粒均匀弥散分布在连续SiC相中组成。随着ZrC含量的增加,C/C-ZrC-SiC复合材料的烧蚀率呈现先减小后增大的趋势。当聚碳硅烷与有机锆聚合物的配比(质量比)为1∶3时,ZrC体积含量约为13.3%,氧乙炔烧蚀600s后,C/C-ZrC-SiC复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率降至最低,分别为-0.0015mm/s和0.0002g/s。研究发现,高温氧化环境中,形成了粘稠的ZrO2-SiO2玻璃态氧化膜,有效降低了氧化性气氛向材料内部扩散的速率,对材料基体形成了较好的保护。     

先驱体浸渍裂解结合化学气相渗透工艺下二维半和三维织构SiC/SiC复合材料的结构与性能

通过先驱体浸渍裂解工艺结合化学气相渗透工艺(PIP+CVI)制备了二维半(2.5D)和三维(3D)编织结构的碳化硅纤维增强碳化硅基(SiC/SiC)复合材料,对两者的密度、热导率、力学性能以及微观结构等进行了测试分析。结果表明,PIP+CVI工艺制备的SiC/SiC复合材料具有较低的密度(1.98~2.43g·cm-3)和热导率(0.85~2.08 W·m~(-1)·K~(-1)),初期CVI纤维涂层能够提高纤维-基体界面剪切强度(~141.0 MPa),从而提高SiC/SiC复合材料的力学性能,后期CVI整体涂层明显提高了2.5DSiC/SiC复合材料的密度、热导率和力学性能,对3DSiC/SiC复合材料性能的影响不明显。     

(C-SiC)f/C复合材料的烧蚀性能

将SiC纤维毡与C纤维毡交替层叠, 通过针刺工艺制备(C-SiC)_f/C预制体, 采用化学气相渗透与前驱体浸渍裂解复合工艺(CVI+PIP)制备(C-SiC)_f/C复合材料, 研究(C-SiC)_f/C复合材料H₂-O₂焰烧蚀性能。利用SEM、EDS和XRD对烧蚀前后材料的微观结构和物相组成进行分析, 探讨材料抗烧蚀机理。结果表明: (C-SiC)_f/C复合材料表现出更优异的耐烧蚀性能。烧蚀750 s后, (C-SiC)_f/C复合材料的线烧蚀率为1.88 μm/s, 质量烧蚀率为2.16 mg/s。与C/C复合材料相比, 其线烧蚀率降低了64.5%, 质量烧蚀率降低了73.5%; SiC纤维毡在烧蚀中心区表面形成的网络状保护膜可以有效抵御高温热流对材料的破坏; 在烧蚀过渡区和烧蚀边缘区形成的熔融SiO₂能够弥合材料的裂纹、孔洞等缺陷, 阻挡氧化性气氛进入材料内部, 使材料表现出优异的抗烧蚀性能。     

两种双基体C/C复合材料的微观结构与力学性能

借助偏光显微镜、扫描电镜以及力学性能测试研究了两种双基体C/C复合材料的微观结构与力学性能。结果表明:基体碳在偏光显微镜下呈现出热解碳的光滑层组织,沥青碳的各向同性、镶嵌和流域组织。在SEM下普通沥青碳为"葡萄状"结构,中间相沥青碳为片层条带状结构。具有多层次界面结构的材料可以提高材料的弯曲强度,改善材料的断裂韧度,两种材料在载荷-位移曲线中载荷为台阶式下降,呈现出假塑性断裂特征。材料A和材料B的弯曲强度分别为206.68,243.66MPa,断裂韧度分别为8.06,9.66MPa·m1/2,材料B的弯曲强度、断裂韧度均优于材料A。     

聚硅氧烷先驱体转化制备三维Cf/Si-O-C复合材料的研究

研究了含氢聚硅氧烷(PSO)与二乙烯基苯(DVB)的交联与裂解。结果表明:只有在氯铂酸的催化作用下,PSO与DVB才能完全交联。DVB/PSO质量比对陶瓷产率的影响较大,DVB/PSO＝0.5时陶瓷产率最高,达到76%。裂解产物中Si,C,O的含量分别为38.3wt%,34.3wt%,27.4wt%。以质量比为0.5的DVB/PSO体系为先驱体,采用先驱体转化法制备出三维C_f/Si-O-C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力学性能。第一次在1600℃,10MPa的条件下热压裂解5min,后续真空浸渍-常压裂解处理六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502MPa,23.7MPa·m 1/2。理想的界面结合状态是其具有高性能的主要原因。     

整体抗氧化C/C-ZrC-SiC复合材料的超高温烧蚀性能研究

以聚合有机锆与聚碳硅烷组成的共溶前驱体为原料, 采用溶液浸渍-裂解(PIP)工艺制得了2D C/C-ZrC-SiC复合材料, 对复合材料的超高温烧蚀性能进行了研究. 利用SEM和XRD对烧蚀后材料的微观结构和物相组成进行分析, 探讨了复合材料的抗烧蚀机理. 结果表明, 复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率随着ZrC含量的增加先减小后增大. 其中ZrC含量为17.45vol%的复合材料具有最优的抗烧蚀性能, 即在表面温度为2200℃, 等离子焰烧蚀300s后, 其质量烧蚀率仅为1.77mg/s, 线烧蚀率为0.55μm/s. 研究发现, 材料表层的ZrC氧化生成的ZrO₂溶于SiC氧化生成的SiO₂中, 形成粘稠的二元玻璃态混合物, 有效阻止氧化性气氛进入基体内部, 对抗超高温烧蚀起到协同作用.     

碳纤维预制体结构对CVI-GSI C/C-SiC复合材料微观结构与力学性能的影响EI

采用不同面密度和丝束大小的碳纤维布,通过不同z向缝合方式编织了两种碳布叠层结构的碳纤维预制体,再经化学气相渗透法(chemical vapor infiltration,CVI)与气相渗硅法(gaseous silicon infiltration,GSI)联用制备了C/C-SiC复合材料。研究了碳纤维预制体结构对CVI-GSI C/C-SiC复合材料微观结构与力学性能的影响。结果表明,由纤维体积分数与C/C素坯密度都相同的预制体所制备的两种复合材料的密度、各相组成、结构与性能均大不相同。较小的碳纤维丝束(1K)和碳布面密度(92 g/m^(2)),以及锁式缝合留下的较大孔隙为GSI反应中Si蒸气的渗透提供了更加充足的通道,最终制备的T1复合材料孔隙率低、结构均匀、性能更高,其弯曲强度、模量和断裂韧度分别为300.97 MPa,51.75 GPa,11.32 MPa·m^(1/2)。初始预制体结构和C/C中间体结构的综合调控是CVI-GSI联用工艺制备高性能C/C-SiC复合材料的关键。