纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料高导热性能研究进展EI北大核心

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。     

热管理用高导热碳化硅陶瓷基复合材料研究进展

碳化硅陶瓷基复合材料以其高比强度、高比模量、高导热、良好的耐烧蚀性能、高温抗氧化性、抗热震性能等特性,广泛应用于航空航天、摩擦制动、核聚变等领域,成为先进的高温结构及功能材料。本文综述了高导热碳化硅陶瓷基复合材料制备及性能等方面的最新研究进展。引入高导热相,如金刚石粉、中间相沥青基碳纤维等用以增强热输运能力;优化热解炭炭与碳化硅基体界面用以降低界面热阻;热处理用以获得结晶度更高、导热性能更好的碳化硅基体;设计预制体结构用以建立连续导热通路等方法,提高碳化硅陶瓷基复合材料的热导率。此外,本文展望了高导热碳化硅陶瓷基复合材料后续研究方向,即综合考虑影响碳化硅陶瓷基复合材料性能要素,优化探索高效、低成本的制备工艺;深入分析高导热碳化硅陶瓷基复合材料导热机理,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、具有优异热物理性能的各向同性高导热碳化硅陶瓷基复合材料。     

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。     

碳纤维增强碳化硅陶瓷复合材料的研究

使用ＣＶＤ技术提高纤维增强陶瓷基复合材料的密度是很困难的,因为它很难使反应气体完全渗入到基体里面,这是由于“瓶颈”效应所致,即ＣＶＤ过程阻塞了基体表面的小气孔,进而封闭了通向大气孔的入口,为此提出了一种新的方法位控ＣＶＤ（ＰＣＣＶＤ）,来克服上述通过控制反应气体通道位置试样的加热位置,从而达到控制沉积位置,使沉积界面始终处于开孔状态,使用ＰＣＣＶＤ技术制造的Ｃ／ＳｉＣ复合材料,实际密度可达到其理论     

连续纤维补强增韧碳化硅基陶瓷复合材料研究进展

连续纤维补强增韧碳化硅基陶瓷复合材料具有密度低、强度和韧性高、抗氧化、耐高温等综合性能,已在国外宇航领域得到了广泛的应用.综述了国内外连续纤维补强增韧C/SiC陶瓷复合材料的研究进展,主要包括国内外在增韧机理、基体复合技术、界面技术以及应用等方面的研究进展情况.     

碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究

使用CVD技术提高纤维增强陶瓷基复合材料的密度是很困难的,因为它很难使反应气体完全渗入到基体里面.这是由于"瓶颈"效应所致,即CVD过程阻塞了基体表面的小气孔,进而封闭了通向大气孔的入口.为此,提出一种新的方法位控CVD(PCCVD),来克服上述困难.通过控制反应气体通道位置和试样的加热位置,从而达到控制沉积位置,使沉积界面始终处于开孔状态.使用PCCVD技术制造的C/SiC复合材料,实际密度可达其理论密度的96%.     

碳纳米管增强镁基复合材料导热性能研究

镁及其合金是目前最轻的金属结构材料,合金化虽然提升了镁合金的力学性能,但导致其导热性能严重下降,限制了镁合金的应用。碳纳米管(CNTs)因具有优异的力学、热学等性能,是最理想的增强体之一,可以用于改善镁合金的力学性能和热学性能。采用粉末冶金法分别以纯Mg、Mg-9Al合金、Mg-6Zn合金为基体制备了不同CNTs含量的镁基复合材料,利用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜对复合材料微观组织、基体与增强体界面及析出相进行表征,并对复合材料的拉伸性能和热学性能进行测试。研究结果表明,当CNTs质量分数不超过1.0%时,可提高纯镁基复合材料的导热性能,力学性能仅有稍微降低;将CNTs添加到Mg-9Al合金中,可以促进纳米尺度β-Mg 17 Al 12相在CNTs周围析出,降低了Al在Mg基体中的固溶度,使CNTs/Mg-9Al复合材料的导热性能有所提高。此外,在CNTs/Mg-6Zn复合材料界面处存在C原子和Mg原子的相互嵌入区,这种嵌入型界面不仅有利于复合材料力学性能的提高,也使CNTs起到加速电子移动的“桥”的作用,有利于该复合材料热导率的提高。当CNTs质量分数为0.6%时,CNTs/Mg-6Zn复合材料具有较为优异的热学性能和力学性能,其热导率为127.0 W/(m·K),抗拉强度为303.0 MPa,屈服强度为204.0 MPa,伸长率为5.0%。     

核用碳化硅纤维增强碳化硅复合材料研究进展

碳化硅纤维增强碳化硅(SiC_f/SiC)复合材料具有低中子毒性、耐中子辐照和耐高温氧化等特性, 成为先进核能系统重要的候选结构材料。近年来, 国内外学术界和工业界针对核用SiC_f/SiC复合材料开展了大量研究工作, 取得了一系列重要的研究进展。针对SiC_f/SiC复合材料面向核用所关注的重点方向, 如核用SiC纤维、纤维/基体界面相、复合材料制备工艺、数值仿真、腐蚀行为和表面防护、连接技术以及辐照损伤等方面, 本文进行了综述和讨论, 并针对核用要求指出了SiC_f/SiC复合材料存在的主要问题和可能的解决思路, 希望对该材料的进一步研发和最终应用有所裨益。     

单向碳纤维增强碳化硅基复合材料的拉伸试验

采用手工精细加工板状双哑呤拉伸试件,并配以恰当的加强块,避免了因试件较短和加工等引起的夹持段压环,从夹持段拔出及试件在试验段根部破坏等问题,成功地实施了短试件（热压法制备的单向碳纤维增强碳化硅基体复合材料）的拉伸试验,微实时观察表明,由于界面强度非常弱,试件中首先出现因界面破坏而形成的沿纤维方向的裂纹,随着载荷的增加,裂纹数量迅速增多且裂纹均平行于纤维方向,最终,这些平行裂纹横向连接使试件被拉断,因此,对于界面强度过弱的单向纤维增强陶瓷基复合材料不可能产生横向的饱和裂纹。     

碳化硅纳米线增强多孔碳化硅陶瓷基复合材料的制备

构建多孔碳化硅纳米线(SiCNWs)网络并控制化学气相渗透(CVI)过程,可设计并获得轻质、高强度和低导热率SiC复合材料。首先将SiCNWs和聚乙烯醇(PVA)混合,制备具有最佳体积分数(15.6%)和均匀孔隙结构的SiCNWs网络;通过控制CVI参数获得具有小而均匀孔隙结构的SiCNWs增强多孔SiC(SiCNWs/SiC)陶瓷基复合材料。SiC基体形貌受沉积参数(如温度和反应气体浓度)的影响,从球状颗粒向六棱锥颗粒形状转变。SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料的孔隙率为38.9%时,强度达到(194.3±21.3) MPa,导热系数为(1.9 ± 0.1) W/(m∙K),显示出增韧效果,并具有低导热系数。     

聚合物基复合材料的导热性能研究

讨论了聚合物基高导热高绝缘纳米复合材料的导热机理与常用的导热理论模型。考虑到填充率、温度等的影响，用不同的理论模型计算了氧化铝纳米颗粒填充环氧树脂的热导率，并结合相关研究实验对不同的导热理论模型进行分析比较。     

碳化硅纤维及其复合材料

１９９５年５月参加了在美国阿纳汉召开的第４０届国际尖端材料学会年会，了解到国外碳化硅纤维及其复合材料最新情况。本文简述碳化硅纤维的制造工艺，性能，表面处理及其对性能的影响，并介绍了碳化硅纤维增强树脂基复合材料和陶瓷基复合材料以及它们的性能。     

碳化硅增强铝基复合材料连接技术研究进展

综述了SiC增强铝基复合材料(包括SiCp／AlMMC和SiCw／AlMMC)连接技术的研究现状,分析了连接中存在的问题。简单介绍了用于该复合材料连接的传统焊接方法,如熔化焊、固相连接、钎焊等。重点介绍了SiC颗粒及SiC纤维增强铝基复合材料的一些新型连接技术,并展望了SiC增强铝基复合材料连接技术的发展方向。     

聚合物纳米石墨烯复合材料导热性能研究进展

集成电路伴随着电子、航天和航空领域的发展而快速发展,但往往伴随着散热困难的问题,影响着使用效率和仪器寿命。从质量、耐蚀性、加工工艺和成本等方面考虑,聚合物复合材料是导热材料中最具发展前景的材料。然而聚合物固有的导热率非常低,因此,提高聚合物的导热率对于其在这些领域的应用显得非常重要,这在过去的20年中已经成为一个非常重要的研究课题。主要从以下两个方面进行介绍:(1)从分子链形态、链结构和链间耦合3个方面分析总结了聚合物的微观导热机理;(2)重点介绍近年来石墨烯填充聚合物纳米复合材料导热性能的主要研究进展以及未来的研究挑战。     

碳化硅纤维增强磷酸铝基复合材料的制备和性能研究

采用不同的磷酸铝盐基体制备了单向碳化硅纤维增强磷酸铝基复合材料,对其力学性能进行了对比,结果表明：基体对复合材料的力学性能和微观结构有极大的影响,磷酸铝基体随温度的升高脱水、相变残留下一定的气孔,填料的加入可以提高复合材料的整体力学性能;采用磷酸二氢铝基体、α-Al2O3填料制备的复合材料具有最好的性能,其弯曲强度为310MPa、弯曲弹性模量为47GPa,并通过扫描电镜对材料的微观结构形貌进行了分析研究。     

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。      

连续碳化硅纤维增强β钛合金基复合材料复合工艺的探索研究

本文初步探索了连续碳化硅纤维增强Ｔｉ－１５－３合金基复合材料的复合工艺，采用真空热压工艺和热等静在压工艺对－ＳｉＣ钛箔进行复合固结处理。试验结果表明，所选用的复合工艺作为探索研究是可行的。     

两种粒径颗粒混合增强铝基复合材料的导热性能

选用粒径为20μm 和60μm 的SiC 颗粒, 采用挤压铸造方法制备了基体分别为工业纯铝L2 、LD11(Al-12 %Si) 和AlSi20 (Al-(18～21) %Si) 的复合材料, 研究了材料的导热性能。在等比表面积的基础上, 提出了等效颗粒直径的概念, 解决了两种粒径颗粒混合增强铝基复合材料导热率的预测问题。结果表明, SiC_P/ Al 复合材料具有较为优异的导热率, 且LD11 基与AlSi20 基复合材料的导热率大于基体合金的导热率, 这与颗粒的等效直径大于临界粒径且颗粒导热率大于基体导热率有关;但复合材料的导热率随着基体中Si 含量的增加而降低。