连续纤维增强陶瓷基复合材料概述

八十年代以来，连续纤维增强陶瓷基得合材料以其优异的性能特别是高韧性，得到世界各国的极大关注和高度重视，并取得令人瞩目的发展。纤维增强陶瓷基复合材料已开始在航空、航天、国防等领域得到应用。本文从复合材料的增韧机制、制备方法、界面特性和界面改性以及应用等方面综述了国内外有关连续纤维增强陶瓷基复合材料的研究现状。     

连续纤维增强SiCf/SiC陶瓷复合材料的发展

连续纤维增强SiCf／SiC陶瓷基复合材料具有良好的高温力学性能、抗氧化性和化学稳定性，是航空航天和核能等领域新的高温结构材料研究的热点之一。回顾了增强体连续SiC纤维的发展，综述了SiCf／SiC材料的成型制备工艺、界面相对力学性能的影响和目前的应用研究，展望了连续纤维增强SiCf／SiC陶瓷基复合材料以后的研究重点及发展前景。     

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.     

纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料高导热性能研究进展

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。     

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。     

SiCf/SiC复合材料界面相研究进展

分析了连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMCs)中界面相类型以及各界面相在CFRCMCs中的作用,综述了热解碳(PyC)、氮化硼(BN)、难熔氧化物以及复合界面相在SiCf/SiC复合材料中的应用现状,最后展望了SiCf/SiC复合材料界面相的发展方向。     

连续SiC纤维增强Ti-Al系金属间化合物基复合材料的制备和界面行为

简要叙述了几种主要的Ti-Al系金属间化合物Ti_3Al、TiAl和Al_3Ti的发展状况、性能优缺点以及应用。综述了几种增韧金属间化合物的纤维,对比其他纤维的性能发现连续的SiC纤维具有良好的应用前景。概括了两种连续SiC纤维的不同制备方法,即先驱体转化法和物理气相沉积法,两种不同方法分别得到了束丝SiC纤维和单丝SiC(W或C芯)纤维,并对两种纤维的性能进行了概括。对连续SiC纤维增强Ti-Al系金属间化合物基复合材料的制备方法进行了分析,综述了SiC纤维增强Ti-Al系金属间化合物基复合材料制备过程中纤维与基体的界面反应以及界面性能的改善方法;提出了连续SiC纤维增强Ti-Al系金属间化合物基复合材料发展的方向。     

陶瓷基纤维复合材料研究综述

<正>陶瓷基纤维复合材料现已被应用到液体火箭发动机喷管、导弹天线罩等方面,是高技术新材料中一个十分重要的分支。本文陶瓷基纤维复合材料的定义采用的是《中国土木建筑百科辞典:工程材料(下)》中对陶瓷基复合材料的第1种描述,即纤维增强陶瓷基复合材料,主要指用碳纤维、石墨纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、氧化锆纤维等增强氧化镁、氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆等制成的复合材料,具有高温抗压强度大、弹性模量     

先驱体浸渍-裂解法制备SiBN纤维增强SiBN陶瓷基复合材料

连续纤维增强氮化物陶瓷基复合材料是耐高温透波材料的主要发展方向,纤维是目前制约耐高温透波复合材料发展的关键,而SiBN陶瓷纤维是一种兼具耐高温、透波、承载的新型陶瓷纤维。以聚硅氮烷为陶瓷先驱体,以SiBN连续陶瓷纤维为增强体,采用先驱体浸渍-裂解法制备了SiBN陶瓷纤维增强SiBN陶瓷基复合材料,研究了复合材料的热膨胀特性、力学性能、断裂模式以及微观结构。结果表明:SiBN陶瓷纤维增强SiBN陶瓷基复合材料呈现明显的脆性断裂特征,复合材料的弯曲强度和拉伸强度分别为88.52 MPa和6.6 MPa,纤维的力学性能仍有待于提高。     

界面脱粘对正交铺设SiC/CAS复合材料基体开裂的影响

采用细观力学方法研究了正交铺设SiC/CAS复合材料在单轴拉伸载荷作用下界面脱粘对基体开裂的影响。采用断裂力学界面脱粘准则确定了0°铺层纤维/基体界面脱粘长度, 结合能量平衡法得到了主裂纹且纤维/基体界面发生脱粘(即模式3)和次裂纹且纤维/基体界面发生脱粘(即模式5)的临界开裂应力, 讨论了纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能对基体开裂应力的影响。结果表明, 模式3和模式5的基体开裂应力随纤维/基体界面剪应力、 界面脱粘能的增加而增加。将这一结果与Chiang考虑界面脱粘对单向纤维增强陶瓷基复合材料初始基体开裂影响的试验研究结果进行对比表明, 该变化趋势与单向SiC增强玻璃陶瓷基复合材料的试验研究结果一致。     

螺旋碳纤维的制备:形貌控制与生长机理

螺旋碳纤维自被发现以来,因其独特的三维螺旋结构引起了研究人员的关注.探究螺旋碳纤维的制备方法及其影响因素,对研究螺旋碳纤维的生长机理有着重要的作用.螺旋碳纤维是具有规则螺旋线圈或扭转结构的碳纤维,目前制备的螺旋碳纤维主要有单螺旋碳纤维和双螺旋碳纤维.碳纤维具有密度小、拉伸强度高、拉伸模量高、热导率好、导电以及电磁屏蔽波特性等特点,并且其力学性能、热性能及电性能都具有显著的各向异性.螺旋碳纤维不但具有与碳纤维类似的优异性能,并且所具有三维螺旋结构还赋予其良好的弹性、独特的电磁学以及生物催化等特性,在电子器件、手征催化、智能材料、隐身吸波材料、高性能和多功能复合材料等领域有着潜在的应用前景.然而,如何得到螺旋形貌规整的碳纤维、螺旋碳纤维的手性拆分和分散问题以及螺旋碳纤维的规模性可控制备一直是研究的难点和关键.近年来,研究者们一直对螺旋碳纤维的生长机理及生长动力进行探究,通过构建合理的生长模型表明促进剂以及催化剂的晶型和尺寸等对碳纤维的双螺旋结构有着关键影响.目前已能通过调控不同的制备条件制得形貌规整、结构均一的螺旋碳纤维,对其在各个领域的应用进行了一定的探索并取得了很大的成功.研究者们通过将螺旋碳纤维作为填料分散在复合材料中,利用螺旋碳纤维优异的性能,提高复合材料的综合性能或赋予复合材料的多功能性,以期实现复合材料在各个领域的应用.本文归纳了螺旋碳纤维的制备与生长机理的研究进展,分别对螺旋碳纤维的制备条件以及研究者们对生长机理模型的探究进行了介绍,总结了通过调控制备方法、碳源种类、反应温度、催化剂种类、促进剂以及碳源与氢气进气量比值等条件下所得到的螺旋碳纤维的差异,从而对螺旋碳纤维的生长机理进行推测和讨论.本文分析了现阶段螺旋碳纤维所面临的问题并对螺旋碳纤维未来的发展进行了展望,以期为螺旋碳纤维的进一步可控制备和产业化发展提供参考.     

Research progress of ceramic matrix composite parts based on additive manufacturing technology

ABSTRACT

Ceramic matrix composites (CMCs) are materials that can be engineered for high-temperature applications in various fields including aerospace, marine, etc. It is very difficult to fabricate CMCs using traditional moulding methods due to their brittleness and high hardness. Additive manufacture (AM) technology, a digital manufacturing technology, provides multiple advantages over traditional manufacturing technologies, such as fabricating geometrically complex parts, mould-free fabrication, short development cycle, etc. In this paper, various AM technologies developed for CMCs are reviewed with emphasis on mechanisms of manufacturing, characteristics of production, and recent research progresses. With the springing up of innovative ideas and pioneering work, AM technology possesses unique forming capabilities in fabricating CMCs, demonstrating strong potentials in the application of CMCs in aerospace and other fields. However, there are still many challenges of CMCs fabricated by AM technologies, i.e. poor mechanical properties and geometric accuracies; lower reinforcement volume fraction than that of traditional manufacturing processes.     

变截面形状螺旋形炭纤维的制备和生长机理

以镍为催化剂,通过控制碳源气体乙炔的流速,在1 013 K-1 053 K温度下,制备了纤维截面形状在生长过程中由扁平形变为圆形的螺旋炭纤维,同时螺旋直径也相应的由4.2 μm变化为6.0 μm,这种变截面螺旋炭纤维的发现,为微机械系统提供了一种新型弹簧.提出了变截面螺旋炭纤维的生长机理,认为催化剂颗粒的各向异性不仅影响螺旋炭纤维螺径的大小,还影响纤维的截面形状.随着生长过程中反应条件的改变,催化剂各向异性也发生改变,长方形催化剂既可以生长扁平形也可以生长圆形截面螺旋形炭纤维,但是立方形催化剂只能生长圆形截面螺旋形炭纤维.该机制的提出不仅有助于加深对双螺旋炭纤维生长本质的认识,还对指导螺旋形炭纤维的控制生长具有重要意义.     

多功能一体化MAX相改性连续纤维增韧陶瓷基复合材料的研究进展

连续纤维增韧陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites, CMCs)因其优异的性能在航空发动机、空天飞行器热防护系统、核能电站等领域具有广泛的应用前景。现阶段, CMCs的应用已由单一结构承载向多功能一体化发展。MAX相是一类能够发生塑性变形的三元层状陶瓷, 具有高导电、抗辐照和抗烧蚀等优异性能, 将其引入CMCs可实现强韧化与抗辐照/抗烧蚀/电磁屏蔽效能的协同提高, 满足多功能一体化CMCs的应用需求。本文综述了MAX相作为CMCs界面相和基体相的研究进展, 阐述了其设计机理, 并展望了MAX相在CMCs中的应用前景。     

连续纤维增韧陶瓷基复合材料的连接方法

连续纤维增韧陶瓷基复合材料(CMCs)在高温领域具有广阔的应用前景,但是由于其编织工艺的限制,难以制备十分精密和复杂的构件,而要使纤维增韧CMCs得到广泛的应用,必须解决复合材料与金属合金系列材料的连接问题.因而连接是CMCs走向工程应用需要解决的关键课题之一.综述了CMCs的连接现状,重点介绍了几种有效的连接CMCs的方法:钎焊、局部过渡液相连接、无压固相反应连接、聚合物分解连接、ARCJoinT、在线液相渗透连接等.     

微米螺旋碳纤维的电容特性

用CVD法合成微米螺旋碳纤维（carbon microcoils,CMCs）,用硝酸和KOH等对其进行纯化和活化处理,用扫描电镜（SEM）、光学显微镜观察其形貌,用X-射线能谱仪分析反应后催化剂成分,并采用恒流充放电、循环伏安、交流阻抗等电化学方法分析CMCs超级电容器性能。结果表明,在50 mA·g^-1电流密度条件下,初始CMCs产物的比电容为12.7 F·g^-1,纯化处理后的比电容为41.4 F·g^-1,活化处理后则达到111.1 F·g^-1,为处理前的8.75倍。表明纯化特别是活化处理使其电容性能显著提高。     

A novel technique for fabrication of near-net-shape CMCs

A sol-gel vacuum infiltration technique has been developed for the fabrication of near-net-shape ceramic matrix composites (CMCs) using discontinuous mullite fibre preform with 15 vol.% of fibre content and ZrO₂.10 wt.% Y₂O₃ sol as the infiltrant. Effect of sol viscosity, number of infiltration and calcination temperature on physico-mechanical properties of fabricated CMCs were examined. Characterization of the fibre preform, matrix material (in the form of ceramic specimen without fibre) and the developed CMCs were performed by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). XRD indicated the presence of cubic (c) and tetragonal (t) zirconia in both the CMCs and the ceramic specimens calcined even at 1400°C. Flexural strength of the CMCs and the ceramic specimens (calcined at 1400°C), determined by the three-point bending test, was found to be about 14 mPa and 1.40 mPa, respectively. SEM indicated multiple fracture of the matrix which gave rise to pseudo elasticity. This is also evident from the load-displacement curve of the three-point bend test. SEM studies also indicated fibre pull-out in the fracture surface of the CMCs.     

Transverse Tensile Properties of 3 Dimension-4 Directional Braided C<Subscript>f</Subscript>/SiC Composite Based on Double-Scale Model

In this thesis, a double-scale model for 3 Dimension-4 directional(3D-4d) braided C/SiC composites(CMCs) has been proposed to investigate mechanical properties of it. The double-scale model involves micro-scale which takes fiber/matrix/porosity in fibers tows into consideration and the unit cell scale which considers the 3D-4d braiding structure. Basing on the Micro-optical photographs of composite, we can build a parameterized finite element model that reflects structure of 3D-4d braided composites. The mechanical properties of fiber tows in transverse direction are studied by combining the crack band theory for matrix cracking and cohesive zone model for interface debonding. Transverse tensile process of 3D-4d CMCs can be simulated by introducing mechanical properties of fiber tows into finite element of 3D-4d braided CMCs. Quasi-static tensile tests of 3D-4d braided CMCs have been performed with PWS-100 test system. The predicted tensile stress-strain curve by the double scale model finds good agreement with the experimental results.     

Relationship Between Hysteresis Dissipated Energy and Temperature Rising in Fiber-Reinforced Ceramic-Matrix Composites Under Cyclic Loading

In this paper, the relationship between hysteresis dissipated energy and temperature rising of the external surface in fiber-reinforced ceramic-matrix composites (CMCs) during the application of cyclic loading has been analyzed. The temperature rise, which is caused by frictional slip of fibers within the composite, is related to the hysteresis dissipated energy. Based on the fatigue hysteresis theories considering fibers failure, the hysteresis dissipated energy and a hysteresis dissipated energy-based damage parameter changing with the increase of cycle number have been investigated. The relationship between the hysteresis dissipated energy, a hysteresis dissipated energy-based damage parameter and a temperature rise-based damage parameter have been established. The experimental temperature rise-based damage parameter of unidirectional, cross-ply and 2D woven CMCs corresponding to different fatigue peak stresses and cycle numbers have been predicted. It was found that the temperature rise-based parameter can be used to monitor the fatigue damage evolution and predict the fatigue life of fiber-reinforced CMCs.     

单向C/SiC陶瓷基复合材料基体失效机制与强度预测

采用细观力学方法对单向C/SiC陶瓷基复合材料的基体失效机制进行了研究。利用剪滞理论模型和临界基体应变能(CMSE)准则预测了C/SiC陶瓷基复合材料受拉时基体开裂失效过程,获得了单向C/SiC陶瓷基复合材料基体开裂段的应力-应变曲线。并将扩展有限元法(XFEM)用于该开裂过程的模拟,得到了对应的应力-应变曲线。研究结果表明,采用剪滞理论模型、CMSE和采用XFEM得到的计算结果与相关的实验结果三者能较好地吻合,证明了计算方法的有效性。