化学气相渗透法制备2维和2.5维C/SiC复合材料及其拉伸性能

采用化学气相渗透法制备了2维和2.5维碳纤维增强碳化硅(carbon-fiber-reinforced silicon carbide,C/SiC)复合材料,沿经纱(纵向)和纬纱(横向) 2个方向对2种复合材料进行了室温拉伸性能测试,并从预制体结构和原始缺陷分布的角度对比分析了两者力学性能之间的差异.结果表明:两种C/SiC复合材料均表现出明显的非线性力学行为,在经纱方向和纬纱方向上,2维C/SiC复合材料力学性能表现为各向同性,而2.5维C/SiC复合材料力学性能则表现出明显的各向异性:经纱方向上2.5维C/SiC复合材料的拉伸强度和拉伸模量(326 MPa,153 GPa)均高于2维C/SiC复合材料的(245 MPa,96 GPa),纬纱方向上的(145 MPa,62 GPa)均低于2维C/SiC复合材料的(239 MPa,90 GPa).两种复合材料的拉伸断裂行为均表现为典型的韧性断裂,并伴有大量的纤维拔出.两种复合材料中纱线断裂均呈现出多级台阶式断裂方式,但其断裂位置并不相同.2.5维C/SiC复合材料中由于经纱路径近似于正弦波,弯曲程度较大,在纱线交叉点处造成明显的应力集中,因此经纱多在纱线交叉点处断裂;而纬纱由于其路径近乎直线,应力集中现象不明显,因此纬纱断裂位置呈随机分布.2维C/SiC复合材料中经纱和纬纱由于其路径类似于2.5维C/SiC复合材料中的经纱,因此其断裂位置也多在纱线交叉点处.微观结构观察表明不同的编织结构是造成两种复合材料在不同方向上力学性能差异的主要原因.     

化学气相渗透法制备三维针刺C/SiC复合材料的烧蚀性能

用化学气相渗透法制备了三维针刺碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料,复合材料的平均密度为2.15 g/cm3,气孔率为16.0%.用氧乙炔焰研究了复合材料的烧蚀性能,用扫描电镜分析了烧蚀表面的形貌,用表面能谱分析了烧蚀产物的成分.复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.03mm/s和0.004 7 g/s.在烧蚀中心区,烧蚀最严重,表层只有C纤维骨架,且C纤维呈针状,复合材料的烧蚀以升华和冲刷为主.在烧蚀过渡区,垂直于烧蚀面的C纤维表现出端部锐化、根部细化的特性,平行于烧蚀面的C纤维呈针状,复合材料的烧蚀以氧化和机械剥蚀为主.烧蚀边缘烧蚀不明显,烧蚀产物和SiC基体熔融后覆盖在烧蚀表面,阻碍了复合材料的进一步烧蚀,复合材料的烧蚀以氧化为主.     

化学气相渗C／SiC材料结构与性能的研究

采用碳布层叠然后用化学气相渗方法制备了Ｃ／ＳｉＣ复合材料，这种材料纤维与基体间的界面是决策材料力学行为的重要因素，带有热解碳作为界面层的Ｃ／ＳｉＣ材料，在断裂进表现出大范围的脱粘，纤维与周围的基体不同发生断裂，有大量的纤维拨出，断口类似毛刷，无界央层材料表现为脆性平面断口，裂纹直接通过纤维和基体向前扩展，没有发生脱粘。     

C/SiC复合材料表面化学气相沉积涂覆SiC涂层及其抗氧化性能

采用化学气相沉积法,在1 100 ℃,在碳纤维增强碳化硅复合材料表面制备SiC涂层,研究了涂层连续沉积和分4次沉积(每次沉积时间为6 h)所制备的SiC涂层的微观结构和涂层样品的氧化性能.结果表明:两种SiC涂层的厚度均约为40 μm,且4次沉积制备的SiC涂层为一个连续的整体.涂层连续沉积时,表面只出现裸露裂纹;分4次沉积制备时,表面出现大量边缘有SiC生长锥的附着裂纹,附着裂纹在高温氧化时易发生自愈合.与连续涂层样品相比,4次涂层能显著提高C/SiC样品的抗氧化性能.4次涂层样品经1 400 ℃,50 h氧化后,质量损失为0.88%,质量损失速率稳定在6.30 × 10-5 g/(cm2?h),且4次涂层样品具有优异的抗热震性能.     

低压化学气相渗透法制备2.5维SiCf/SiC复合材料

采用低压化学气相渗透法制备了具有和不具有热解炭界面层的2.5维连续SiC纤维增强的SiC复合材料(SiCf/SiC).SiC纤维的体积分数为30%和41%.所制备复合材料的气孔率为20%左右.当纤维为30%时,沉积有0.1 μm热解炭界面层的复合材料的弯曲强度由未加热解炭界面层的232MPa增加到328MPa,而且材料由灾难性断裂转变为非灾难性断裂.在同一制备条件下,纤维体积分数为41%的SiCf/SiC比30%的SiCf/SiC具有更高的气孔率.纤维为41%时,热解炭界面层厚度为0.1 μm的SiCf/SiC的弯曲强度只有244MPa,但是它具有更高的韧性和更长的纤维拔出长度.     

2维C/SiC复合材料的拉伸损伤演变过程和微观结构特征

通过单向拉伸和分段式加载-卸载实验,研究了二维编织C/SiC复合材料的宏观力学特性和损伤的变化过程.用扫描电镜对样品进行微观结构分析,并监测了载荷作用下复合材料的声发射行为.结果表明:在拉伸应力低于50MPa时,复合材料的应力-应变为线弹性;随着应力的增加,材料模量减小,非弹性应变变大,复合材料的应力-应变行为表现为非线性直至断裂.复合材料的平均断裂强度和断裂应变分别为23426MPa和0.6%.拉伸破坏损伤表现为:基体开裂,横向纤维束开裂,界面层脱粘,纤维断裂,层间剥离和纤维束断裂.损伤累积后最终导致复合材料交叉编织节点处纤维束逐层断裂和拔出,形成斜口断裂和平口断裂.     

CVI法快速制备C/SiC复合材料

为缩短CVI法制备C／SiC复合材料的工艺周期并降低成本，研究了CVI工艺过程中沉积温度、MTS（CH3SiC3)摩尔分数和气体流量对SiC沉积速率和MTS有效利用率的影响，实验结果表明：提高沉积温度，常压下1100℃时增大MTS摩尔分数（11％→19％），都有利于提高SiC沉积速率；提高沉积温度和降低反应物气体流量，能提高MTS有效利用率，在优化的工艺条件下，预制体的微观孔隙内沉积了致密的SiC基体，沉积速率达到142μm/h左右，并有效消除了基体中裂纹的形成，MTS的有效利用率为11％－27％。     

三维编织Cf/SiC复合材料的拉伸破坏行为

通过三维编织碳纤维(carbon fiber，Cf)／SiC复合材料样品单向拉伸以及单向拉伸加卸载实验．结合样品断口观察．从宏观上分析了三维编织Cf／SiC复合材料单向拉伸时的力学响应，为进一步描述三维编织Cf／SiC复合材料力学行为奠定了实验基础。实验结果表明：三维编织Cf／SiC复合材料单向拉伸时，卸载模量衰减与应力呈线性关系，残余应变的增加与应力呈二次函数关系。微裂纹主要在编织节点处萌生，沿纤维束界面扩展，最终在编织节点处汇合，导致样品发生破坏。     

SiC改性C/C复合材料的制备及其烧蚀性能

采用超声波震荡法将SiC微粉添加到二维针刺碳毡预制体中,利用热梯度化学气相浸渗工艺沉积热解碳制备了SiC改性碳纤维增强碳基(carbon fiber reinforced catbon,C/C)复合材料.借助x射线衍射与扫描电子显微镜检测和观察材料的微观结构,利用氧-乙炔烧蚀实验测试材料的抗烧蚀性能.结果表明:SiC微...     

C／SiC复合材料热性能及抗氧化性能的研究

本文研究了聚碳硅烷化学转化法制备C/SiC复合材料过程中碳纤维(CF)、碳化硅(SiC)基体的热物理性能对C/SiC复合材料性能的影响,并提出了一种可以提高复合材料抗氧化能力的简单有效的方法。     

CVI法制备三维碳纤维增韧碳化硅复合材料

利用三维编织的碳纤维预制体，采用等温ＣＶＩ的方法制备出了碳纤维增韧碳化硅复合材料。对于无碳界面层的复合材料（Ｃ／ＳｉＣ），弯曲强度和断裂韧性随密度的提高而提高，最大值分别为５２０ＭＰａ和１６．５ＭＰａ·ｍ＾１／２。密度高的复合材料呈明显的脆性断裂，而密度较低的材料在断裂过程中存在纤维束的拔出而表现出韧性断裂行为。密度较高和无碳界面的复合材料，经１５５０℃高温处理后，弯曲强度明显降低（３５０ＭＰａ）     

2.5维碳化硅纤维增强碳化硅复合材料的力学性能

采用低压化学气相渗透法制备了具有热解碳界面层的2.5维SiCf/SiC复合材料.研究了界面层厚度和基体制备工艺对材料力学性能的影响.结果表明:0.1μm厚的界面层使材料的弯曲强度提高了104.2%从144增加到294MPa),材料表现为非灾难性断裂;界面层厚度进一步增加(到0.161μm),纤维的增强效果减弱,材料的断裂行为变差.基体制备温度由1050℃降到950℃时,材料强度增加了≈45%(从188增加到274MPa):制备压力由8kPa增加到16kPa时,气孔率升高,SiC基体晶粒形状由菱形变为球形.基体的球形晶粒有利于提高材料的承载能力,虽然复合材料的气孔率较高,但其弯曲强度却稍有增加.     

碳/碳复合材料等温化学气相渗透工艺模糊系统建模

等温化学气相渗透(chemical vapor infiltration，CVI)是制备陶瓷基和碳基复合材料重要的传统工艺，该工艺主要的不足之处是周期极长，因此，优化工艺参数、提高沉积效率是目前等温CVI工艺研究的重点。在实验样本的基础上，利用遗传算法来自动获取和优化模糊规则，从而建立了碳／碳复合材料等温CVI工艺模糊系统。通过系统对训练样本和测试样本的输出，可以看出：系统具有较高的精度和泛化能力。利用该系统，得到了沉积温度、纤维体积分数和沉积室压强等参数对等温CVI工艺的影响规律，对实际生产中CVI工艺的制定有指导意义。     

化学液相气化渗透法制备炭/炭复合材料研究的进展

综合评述了化学液相气化渗透(chemical liquid vapor infiltration, CLVI)法制备炭/炭(C/C)复合材料的研究.概述了CLVI法的工艺特点及其快速致密的原理,并分别从预制体形状、发热体加热方式、前驱体种类等方面介绍了近年来各种改进的CLVI工艺.分析了制备方式、温度以及前驱体种类等对热解炭微观结构的影响.展望了CLVI法制备C/C复合材料的发展趋势.综合分析表明:目前,CLVI法尚不能满足应用于工业化生产的要求,今后将向多试样沉积、低能量消耗、前驱体高利用率等方向发展.     

先驱体浸渗裂解法制备C/C-SiC复合材料的烧蚀性能

用先驱体浸渗裂解法制备了碳纤维增强碳(carbon fiber reinforced carbon,C/C)-SiC复合材料,用H2-D2火焰法检测其烧蚀性能.结果表明:C/C-SiC复合材料的烧蚀率随复合材料中的Si含量的增加而呈下降趋势;经过5次浸渍,C/C-SiC复合材料的密度从1.46 g/cm3增加到1.75 g/cm3,Si含量从5.06%增加到13.8%,线烧蚀率和质量烧蚀率分别下降474%和34.5%.密度为1.75g/cm3的C/C-SiC复合材料,其线烧蚀率和质量烧蚀率分别为2.22 μm/s和1.289 mg/s,其线烧蚀率和质量烧蚀率分别为密度1.78 g/cm3的C/C复合材料的21.7%和78.6%.基体中SiC的引入明显提高了C/C复合材料的抗氧化烧蚀性能.