CVI法制备先进陶瓷基复合材料

化学气相渗透(CVI)是最具潜力的先进陶瓷基复合材料(CMC)制备工艺。本文概要阐述了CVI技术的基本原理和工艺特点，对不同类型的CVI工艺进行了简单论述和评价，并提出了解决制件中大量残余气孔率的新思路、新方法，最后还对CVI技术的今后发展方向进行了展望。     

连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料研究

采用化学气相浸渗法制造了连续碳纤维和碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料，并对复合材料的显微结构和力学性能进行了研究，C/SiC／SiC复合材料的密度分别为2．1g/cm^3和2．5g/cm63，在断理解过程中表现出明显的非线性和非灾难性的断裂行为和规律，C／SiC和SiC／SiC弯曲强度分别为450MPa和850MPa，从室温至1600℃强度不发生降低；断裂韧性为20MPa.m^1/2和41．5MPa.m^1/2，断裂功为10kJ.m^-2和28．1kJ.m^-2，冲击韧性为62．0kJ.m^-2和36．0kJ.m^-2，C/SiC和SiC/SiC复合材料具有优异的抗热震性能，经1300℃→←3000℃，50次热震后，强度保持率高达96．4％，热震不是材料性能损伤的控制因素，而SiC/SiC复合材料优异的抗氧化性能，对温度梯度不敏感，得合材料喷管在液体火箭发动机上成功地通过了地面实验。     

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...     

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）     

纤维束丝数对平纹编织C/SiC复合材料力学性能的影响

通过对2种丝束平纹编织碳纤维布增强SiC（C/SiC）复合材料的力学性能实验,研究了纤维束丝数（1 k和3 k）对复合材料性能的影响.实验结果表明：1 k C/SiC复合材料的拉伸模量、拉伸强度、压缩模量、压缩强度、面内剪切强度和弯曲强度分别为90.8 GPa,281.8 MPa,135.8 GPa,452.2 MPa,464.3 MPa和126.8 MPa,分别比3 k C/SiC高39%,15.8%,25%,132%,29.3%和30.2%.纤维束粗细不同是导致纤维束弯曲度和复合材料孔隙率差异的主要原因,对压缩强度的影响最大,对拉伸强度的影响最小.     

CVI法制备连续纤维增韧陶瓷基复合材料

在连续纤维增韧陶瓷基复合材料制备领域，ＣＶＩ法是目前已经实用并成为商品化的方法，这种方法能在较低温度了制备出形状复合，近尺寸和纤维体积分数高的陶瓷基复合材料，并能实现微观尺度上的成分设计，ＣＶＩ的最基本问题是物质的传输和化学反应动力学，纤维和基本间的界面，是影响复合材料力学性能的关键，本文旨在从ＣＶＩ的基本理论，方法和影响复合材料力学的因素出发，以国内外有关研究的水平及现状进行了分析。     

低分子聚硅烷CVD法制备β—SiC超细微粉

采用ＣＶＤ工艺，以低分子聚硅烷为先驱体，Ａｒ气为载气，制备ＳｉＣ超细微粉。研究反应温度、载气流量、反应物浓度等工艺参数对ＳｉＣ微粉性能的影响。通过脱碳、脱氧和结晶化处理等工艺，制备出粒径组成均匀（〈０．１μｍ）、纯度高（含碳量３０％，按质量计）、结晶好的β－ＳｉＣ超细微粉。     

化学气相渗透2.5维C/SiC复合材料的拉伸性能

采用等温减压化学气相浸渗(isothermal low-pressure chemical vapor infiltration,ILCVI)工艺制备了在厚度方向上具有纤维增强的2.5维(2.5 dimensional,2.5D)碳纤维增强碳化硅多层陶瓷基复合材料,从而使一端封口的防热结构部件的制备成为可能.ILCVI致密化后,复合材料的密度、孔隙率分别为1.95～2.1 g/cm3和16.5%～18%.沿经纱和纬纱两个方向对2.5D C/SiC复合材料进行室温拉伸实验.结果表明:复合材料在纵向和横向的拉伸应力-应变均表现为明显的非线性行为.复合材料具有较高的面内拉伸性能,纵横向的拉伸强度分别为326MPa和145MPa,断裂应变分别为0.697%和0.705%.复合材料的拉伸断裂为典型的韧性断裂,经纱和纬纱的断裂都表现为纤维的多级台阶式断裂以及纤维的大量拔出.     

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.     

热梯度CVI制备炭/炭复合材料及其研究进展

按预制件内部的温度分布不同，可以认为，均热法及热梯度法是化学气相沉积制备炭／炭复合材料的两种基本工艺。对于圆筒或圆盘形工件，热梯度CVI具有增密快，炭的有效利用率高，可实现工业规模化生产的优点，是一种很有前景的CVI工艺。本文介绍了热梯度CVI制备炭／炭复合材料的工艺原理、工艺特点及其最新研究进展。     

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.     

旋转CVI快速沉积热解碳基体

采用一种新的CVI工艺(旋转CVI)进行了二维碳布沉积热解碳基体的实验研究.通过实验优化工艺参数,在低压(5 kPa)、高温(1 100 ℃)、体积分数为62.5%的C3H6与3.5 mm.min-1的碳布旋转线速度条件下,获得了微观孔隙中0.25 μm.h-1的热解碳沉积速度、约7%的C3H6转化率与理想的热解碳基体形貌.分析了旋转CVI工艺中沉积温度和C3H6浓度等分别对沉积速度、热解碳基体形貌及C3H6转化率的影响.     

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.     

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.     

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.     

反应熔渗法制备C/C-SiC复合材料及其反应机理和动力学的研究进展

对反应熔渗法制备C/C-SiC复合材料过程中Si的渗入行为以及Si/C的反应机理和动力学进行了综合评述.分析了高温下Si的密度、粘度、表面张力及Si/C润湿角对渗入能力的影响.概括了Washburn公式及其改进模型在液Si渗入行为方面的研究进展,给出了渗入时间、SiC生成速率与渗入高度之间的关系.对控制Si/C反应的溶解-沉淀机理和扩散机理进行了阐述,总结分析得出：不同阶段Si/C反应发生的区域不同,因而控制反应的机理也不同.最终的SiC相是由不同反应机理共同作用形成的.     

基于因素分析的C/SiC复合材料氧化动力学模拟

用因素分析法对C/SiC复合材料在氧气气氛下的氧化相对质量变化曲线进行了分析,确定了在不同温度区间内影响其相对质量变化的控制因素:在温度θ<700℃时复合材料的氧化速率由碳氧反应控制,属线性机制;随温度的升高,氧气通过涂层微裂纹的扩散将控制复合材料的氧化速率,属抛物线性机制;在温度θ>1000℃时,微裂纹逐步封闭,氧气通过SiO2生成层的扩散以及涂层表面的氧化将分别成为影响复合材料氧化速率的控制因素。在此基础上,建立了描述复合材料氧化过程的动力学模型。