增强纤维的梯度功能涂层

本文在分析纤维增强金属基复合材料的纤维/基体界面的行为以及对增强纤维涂层的要求的基础上,提出能满足抗扩散,反应障垒、润湿媒介和保证纤维发挥潜能等多种要求的纤维涂层结构--梯度功能涂层.本文还介绍了用化学气相沉积(CVD)的方法在碳纤维上制备梯度功能涂层的细节.      

熔盐法在碳纤维表面制备抗氧化SiC涂层

采用熔盐法,以NaCl-KCl作熔盐介质,利用Si粉与碳纤维反应在纤维表面制备出均匀的SiC涂层。研究了反应温度、热处理时间和Si/C比对SiC涂层结构和形貌的影响。研究结果表明:随着热处理温度、热处理时间以及Si/C比的增加,纤维表面涂层厚度与SiC晶粒尺寸增加,但是涂层厚度增加随着Si/C比的增加变化较小。与未涂层碳纤维相比,SiC涂层明显改善了碳纤维的抗氧化性能。1350℃热处理3h制备的SiC涂层致密均匀,其起始氧化温度由540℃增加至650℃。     

碳纤维表面生长碳纳米管及其增强复合材料性能的研究

通过电化学阳极氧化法改性碳纤维表面,利用浸渍法在连续的碳纤维表面加载了均匀的催化剂前驱体涂层,并通过化学气相沉积法(CVD)在碳纤维表面催化生长了均匀、规整的碳纳米管。利用场发射扫描电镜(FESEM)研究了电化学氧化电流强度对碳纤维表面加载催化剂颗粒的形貌与碳纤维表面催化生长碳纳米管形貌的影响,发现最佳的电化学氧化电流强度为0.4 A;Co作为催化剂时,500℃气相沉积10min后制备的复合材料层间剪切强度与未做任何处理的碳纤维及脱浆后的碳纤维作为增强体时相比,分别提高了11.0%与26.5%。     

三级化学气相沉积法制备SiC纤维的微观组织结构

以甲基三氯硅烷和乙炔为源气体,用直流电热三级化学气相沉积法制备了带有碳涂层的钨芯SiC纤维,利用扫描电子显微镜、激光拉曼光谱仪和透射电子显微镜等方法观察了纤维的微观组织结构.结果表明,所制备的SiC纤维由钨芯、W/SiC界面反应层、两层SiC和表面碳涂层组成.纤维中的SiC主要为β-SiC,而且有明显的111择优取向,沉积过程中出现的Si共沉积等缺陷,导致其晶格紊乱.拉曼光谱分析表明,乙炔裂解得到的表面碳涂层由无定型碳和石墨组成.     

射频直热法在碳纤维表面低温涂覆SiC涂层研究

采用新型工艺射频直热法在碳纤维表面低温化学气相沉积SiC涂层,以达到节能、控制涂层厚度和降低成本的工业生产要求.利用XRD,EPMA,TEM研究了工艺与涂层结构关系、涂层的微观结构、拉伸和抗氧化性能.结果表明:SiC涂层在700～780℃发生结晶,提高温度或者减慢走丝速度,结晶更完善;低温沉积涂覆后纤维的拉伸性能基本不下降,低温抗氧化性能有所提高;样品的高温抗氧化性能并不理想,有待于进一步的工艺探索.     

碳纤维表面碳化硼涂层制备研究进展

在碳纤维表面制备碳化硼涂层能改善碳纤维的抗氧化性能,避免在复合材料制备过程中碳纤维与基体发生界面反应.以碳纤维表面碳化硼涂层的制备为主线,分析了化学气相沉积法、直流电阻加热法和射频加热法等制备工艺,回顾了碳化硼涂层制备过程中的原料选择、热力学和动力学研究.     

碳纤维涂覆碳化硅的研究

为了改善碳纤维的抗氧化性能和阻止碳纤维与金属在高温下的化学反应,在碳纤维表面涂覆碳化硅是一种较好的办法。本研究采用化学气相沉积法,在碳纤维表面连续涂覆碳化硅,研究其工艺参数时涂层厚度及涂层成分与结构的影响,得到了该反应体系的表观活化能约为165KJ/mol及碳化硅的结构主要是β型。还着重分析了碳纤维涂覆后强度下降的主要原因,并提出了改进措施。     

Si/Mullite/Er2SiO5新型环境障涂层的1350℃氧化行为

采用化学气相沉积与等离子喷涂相结合的方法在SiC/SiC复合材料表面制备了Si/Mullite/Er2SiO5新型环境障涂层,并研究了其在1350℃下的氧化行为。通过SEM、EDS和XRD分析了环境障涂层在氧化过程中的结构成分变化。结果表明:带有Si/Mullite/Er2SiO5环境障涂层试样氧化增重动力学曲线符合对数规律,前期氧化速率较高,随着氧化时间的增加逐渐趋于稳定,可以在1350℃下工作达400h。涂层失效主要是由于氧元素通过涂层扩散至黏结层与基体,使得黏结层与基体氧化,降低了黏结强度,从而使得涂层发生剥落。氧化试验过程中产生的纵向裂纹成为元素扩散通道,加速了氧化失效。     

以乙二胺为促进剂在碳纤维表面生长定向碳纳米管阵列

采用注射化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD),以乙二胺(Ethylenediamine,EDA)为促进剂,在未涂覆无机陶瓷涂层的碳纤维表面直接生长了定向碳纳米管(Carbon nanotubers,CNTs)阵列。研究表明:碳纤维表面的定向CNTs沿纤维轴向呈对称分布,生长密度约为5×109 tubes/cm2,长度可达18μm。定向CNTs具有多壁、竹节状结构,平均直径约为37nm。EDA对CNTs的生长形貌影响显著,是CNTs在碳纤维表面定向生长的关键。     

SiC/PyC复合涂层碳纤维微观结构及氧化行为研究

采用两步法在碳纤维表面制备了碳化硅/热解碳(SiC/PyC)复合涂层,PyC内涂层的制备采用等温化学气相渗透法,SiC外涂层的制备采用碳热还原法.借助X射线衍射、场发射扫描电镜、透射电镜分析了SiC/PyC复合涂层碳纤维的物相组成以及微观结构,利用热重分析研究了SiC/PyC复合涂层、PyC涂层以及无涂层碳纤维的氧化行为.结果表明,在碳纤维表面制备的SiC/PyC复合涂层连续致密、厚度均匀,PyC内涂层厚度约为200nm,SiC外涂层厚度约为160nm,SiC层中存在大量孪晶面高度有序的SiC孪晶.SiC/PyC复合涂层能够有效地改善碳纤维的抗氧化性能,较无涂层碳纤维起始氧化温度提高了近250℃.     

液相渗Si工艺制备2D CF/SiC复合材料中SiC晶粒的生长机制

由液相渗硅工艺(LSI)制得了2D CF/SiC复合材料,经过XRD分析得知材料中SiC均为β相。经过同质量比的K_3Fe(CN)_6与KOH混合水溶液对其进行腐蚀,由SEM观察腐蚀后2D CF/SiC复合材料的形貌,发现其中SiC呈现细等轴晶和粗大晶粒两种不同的形貌。分析认为LSI工艺制备2DCF/SiC复合材料中生成的SiC有两种生成机制:Si原子通过空位机制向碳中扩散形成无定型SiC,在保温过程中结晶形成细晶SiC层;C原子扩散进入熔融态硅中形成C—Si基团,由于温度梯度和浓度梯度的存在,在远离C/SiC界面处过饱和析出,通过溶解-沉淀机制形成粗大的SiC晶体,在晶粒的长大过程中伴随着层错的出现。     

炭纤维表面处理的新方法—气液双效法

气液双效法的程序是先将炭纤维进行液相涂层，再经过气相氧化的表面处理方法，它能同时提高炭纤维本身的抗拉强度和炭纤维增强复合材料的层间剪切强度。     

涂层对复合材料残余应力的影响

由于复合材料组分的热物理性能不同引起的残余应力是影响复合材料性能的一个重要因素,有必要对其进行认真的研究.本文利用热弹性力学值解,提出了在单向纤维增强复合材料体系中,纤维表面附着涂层的复合材料残余应力的分析模型.     

带有SiC浓度梯度炭材料的抗氧化涂层

在炭材料表面通过莫来石（３Ａｌ２Ｏ３·２ＳｉＯ２）或锆石（ＺｒＳｉＯ４）氧化物薄膜涂层与ＳｉＣ的浓度梯度薄层结合,成功地获得了在空气流中１４００℃下的高抗氧化性能。在１４５０℃时,采用将炭材料直接浸入熔融Ｓｉ金属形成ＳｉＣ浓度梯度,通过溶胶－凝胶过程形成锆石和莫来石氧化薄膜。水解速率的控制是产生均匀薄膜的关键。具有ＳｉＣ浓度梯度和莫来石涂层的各向同性高密度石墨块足以在空气中１４００℃下抗氧化和１４００℃到液氮温度下抗淬火。莫来石涂层比锆石涂层更有效。     

甲基丙烯酰氧基倍半硅氧烷改性碳纤维/聚芳基乙炔复合材料界面性能

利用微脱粘法、三点弯曲法、扫描电镜（SEM）、力调制模式原子力显微镜（AFM）和动态力学热分析（DMTA）研究了甲基丙烯酰氧基倍半硅氧烷（Methacryl-POSS）涂层改性前后的碳纤维增强的聚芳基乙炔（PAA）复合材料的界面性能。用Wilhelmy法研究了处理前后的碳纤维与PAA树脂的浸润性。结果表明: POSS涂层处理后的碳纤维表面粗糙度增大,与PAA树脂的浸润性提高;复合材料的界面剪切强度提高了36%,层间剪切强度提高了50%。DMTA图谱表明, POSS涂层改性后,复合材料的玻璃化转变温度提高了12℃,损耗因子降低了53%,表明复合材料的界面粘接性能得到大幅度的改善。      

溶胶-凝胶法TiO2涂层碳纤维增强铝基复合材料的研制

以钛酸丁酯为原料,醋酸为螯合剂,通过水解缩合制得TiO2溶胶.研究了溶胶-凝胶法在碳纤维上涂覆TiO2氧化物陶瓷的连续工艺,采用了IR、TG-DTA、XRD、SEM等分析表征手段.结果表明,溶胶液的粘度是决定涂层质量的关键因素,涂层有效的覆盖了碳纤维表面的裂纹和缺陷;与原纤维相比,锐钛矿型TiO2涂层碳纤维的抗氧化性和耐高温性能均有提高.涂层后碳纤维与熔融铝的润湿性和相容性明显改善,涂层有效的阻止了碳/铝界面反应,使预制丝强度明显提高.     

抗氧化碳-碳复合材料涂层的界面研究

本文研究了碳-碳(C/C)复合材料的碳化硅抗氧化涂层系统的组成和成型工艺,给出了抗氧化性能试验和动态环境试验结果.经微观结构分析,认为在C/C基材表面反应生成的碳化硅涂层是化学转化涂层,与C/C基材是有机结合,并且具有成分连续变化的过渡界面,构成了一种功能梯度倾斜材料,使固渗碳化硅具有优异的性能.     

宽带激光熔覆WCP/Ni基合金梯度复合涂层组织与摩擦磨损特性

研究了铸造WC_P/Ni基合金梯度复合涂层组织与摩擦磨损特性。结果表明,梯度复合涂层与基材实现了良好的冶金结合,涂层内有γ-Ni枝晶组织,γ-Ni＋M₂₃C 6共晶组织以及凝固结晶析出的M₆C、M₂₃C₆、M₇C₃等块状或条状组织;随着铸造WC_P体积分数的增加,复合涂层摩擦系数减小,耐磨性增加。19-4试样的耐磨性最高值为4.61,是基材的3倍以上。梯度涂层的磨损机理为磨粒磨损与粘着磨损的复合作用。     

碳纤维表面处理及其评价

综述并评价主要碳纤维表面处理方法，如表面清洗，气相氧化、液相氧化、表面涂层及等离子处理等。     

用衰减全反射红外光谱研究纳米SiO2粒子在复合涂层中的迁移现象

用衰减全反射红外光谱(FTIR-ATR)技术研究了纳米SiO₂粒子在紫外光固化复合涂层中的迁移现象,并对影响纳米SiO₂粒子在涂层中分布梯度的因素进行了半定量分析。研究结果表明,纳米SiO₂粒子在光固化过程中向涂层接触空气的表面迁移,在表面层富集。当纳米SiO₂粒子含量较高、分子量较小、接枝率较高,或者在极性较大的基体树脂中时,迁移较快,分布梯度较大。