RMI法制备穿刺C/C-SiC复合材料的微结构及烧蚀性能研究

以无纬布/网胎0°/90°叠层穿刺预制体为增强体,采用化学气相渗(Chemical vapor infiltration,CVI)、树脂浸渍碳化(Polymer infiltration carbonization,PIC)与反应熔渗(Reactive melt infiltration,RMI)复合工艺制备穿刺C/C-SiC复合材料,研究其微观组织及在C₂H₂-O₂焰中的烧蚀行为。结果表明：无纬布、穿刺纤维束由CVI+PIC制备的碳基体填充而形成致密C/C区域,RMI生成的SiC主要位于网胎层中,其含量37.3wt%。复合材料表面因过量硅化而形成了SiC富集层。烧蚀距离20mm、O₂:C₂H₂=2:1时,烧蚀600s后材料X-Y、Z向线烧蚀率分别为：0.8×10^_-4 mm/s、3.6×10^_-4 mm/s,比PIP工艺制备C/C-SiC材料烧蚀率小一个数量级。烧蚀面SiC富集层保护及被动氧化作用是材料具有优异抗氧化烧蚀性能的主要原因。随烧蚀距离由20mm向10mm减小,复合材料烧蚀率先缓慢变化后快速增大,烧蚀率快速增长阶段复合材料发生主动氧化烧蚀。     

温压-熔融渗硅法制备C/C-SiC摩擦材料及其摩擦磨损性能

以短切炭纤维、石墨粉、硅粉、树脂为原料,采用新开发的温压-熔融渗硅(WC-RMI)法制备C/C-SiC摩擦材料,对不同制动速度下材料的摩擦磨损性能进行研究,并对温压-熔融渗硅法的制备工艺过程进行理论分析。结果表明:C/C-SiC材料的密度可达1.78g/cm3,残留单质Si的含量为0.3%,摩擦因数为0.36～0.43,体积磨损量低至0.6×10-2cm3/MJ,且随着制动速度的增大,其磨损量迅速下降并趋于平稳;C/C-SiC材料在摩擦过程中能够形成光亮、平整、连续的摩擦膜,有效降低C/C-SiC材料的磨损量。     

制备工艺对C／C-SiC复合材料滑动摩擦特性的影响

分别采用熔渗硅(MSI)、前驱体裂解(PIP)技术制备4种C/C-SiC复合材料.在M2000型实验机上测试材料的摩擦磨损特性.结果表明:采用MSI制备的2种C/C-SiC摩擦因数高、不稳定,摩擦因数在0.404-0.906之间波动;随载荷增加,MSI-SiC质量分数为40.9%的材料B的摩擦因数变化幅度低于SiC质量分数18.9%的材料A的摩擦因数,但其随时间延长的波动幅度大;随时间延长和载荷增加,采用PIP制备的2种C/C-SiC材料的摩擦因数变化小,在0.08-0.14之间波动;其中,随载荷增加,PIP-SiC质量分数为18.0%的材料C的摩擦因数波动幅度稍大于SiC质量分数为6.0%的材料D的.EDAX分析表明:材料A的部分磨损表面未发现碳元素;而材料C磨损表面的碳硅摩尔比大于1,使其有足够的炭形成自润滑膜,从而降低材料的摩擦因数.SEM形貌表明:MSI技术制备的材料摩擦表而粗糙,未形成完整的摩擦膜,而采用PIP技术制备的材料摩擦表面较完整且致密.     

单向C/C复合材料的液相法制备及其显微结构

以沥青、沥青加焦炭粉和树脂加焦炭粉3种预浸料制备纤维预浸体，模压成型制备初坯体，然后用沥青液相法制备了3种单向C／C复合材料试样，对这些试样的密度、孔隙率和显微结构进行了测试和观察。在热压成型初坯体内，收缩微裂纹沿纤维轴向与外界相通，可被再浸渍填充，而孔洞则大多与外界隔绝，不能被再浸渍填充。添加焦炭粉作填料有利于C／C复合材料中纤维体积含量的控制、减少封闭气孔的形成，提高材料的密度。但焦炭粉末将扰乱基体层状结构组织，甚至使其出现紊乱状态。     

“C,N,B”快速气体三元共渗的研究

论述了“Ｃ,Ｎ,Ｂ”快速气体三元共渗的渗剂配制,共渗工艺和渗层金相组织。     

连续旋转CVI快速制备C/C复合材料

连续旋转化学气相浸渗是在CVI原理基础上发展的一种快速制备C/C复合材料的新工艺。通过底部发热体加热使石墨衬底及缠绕其上的二维C布获得了具有低、中、高三个温度区域的合理温度场 ,使微观孔隙与宏观孔隙分别在不同的温度区进行致密化。在沉积过程中反应物气体渗入的深度仅为一层 (或几层 )C布 ,突破了一般CVI法中“瓶颈”效应对沉积温度的制约 ,使沉积速度显著提高。通过实验研究了沉积温度、反应物气体中C3H6 浓度和衬底旋转线速度等对沉积速度的影响 ,以及反应物气体在反应区的停留时间与沉积温度对C3H6 转化率的影响。     

熔硅浸渗工艺快速制备C/SiC复合材料的非等温氧化行为

以针刺整体毡为预制体,采用化学气相沉积（CVD）增密制备C/C多孔体,用熔硅浸渗（MSI）工艺快速制备C/SiC复合材料,通过非等温热重分析研究材料低温下的氧化反应动力学和反应机理。结果表明：C/SiC材料的非等温氧化过程呈现自催化特征,氧化机理为随机成核,氧化动力学参数为l：g（A/min^-1）=8.752,Ea=169.167 kJ/mol。MSI工艺中,纤维因硅化损伤产生的活性碳原子易先发生氧化,使C/SiC材料起始氧化温度仅为524℃,比C/C材料约低100℃,且氧化产生大量的裂纹和界面,使材料在氧化初期即具有大的氧化反应速率,C/C材料则出现氧化反应速率滞后现象。     

液相渗硅法和原位反应法制备硅化石墨及性能研究

分别采用液相渗硅法和原位反应法制备了硅化石墨,讨论了石墨基体密度和渗硅方法对硅化石墨力学性能和摩擦性能的影响.结果 表明:2种方法都能明显提升石墨的抗弯强度,液相渗硅法制得的硅化石墨表面有一层浓度梯度分布的SiC层,石墨基体的耐磨性能得到明显改善.综合力学性能和摩擦性能考虑,选择低密度的石墨通过石墨化处理并采用液相渗硅...     

多孔C泡沫预制体液相渗硅制备C/SiC复合材料研究

以多孔C泡沫为预制体,利用液相渗Si工艺制备了C/SiC复合材料。采用酚醛树脂浸渍-裂解工艺对C泡沫预制体的孔隙率进行调整,考察浸渍-裂解周期对C泡沫预制体孔隙率的影响,研究了C泡沫预制体孔隙率对C/SiC复合材料密度、力学性能、组成和结构的影响。结果表明:预制体孔隙率为72%时制备的C/SiC复合材料性能较好,其密度为2.58g/cm3、弹性模量为81.39GPa,抗弯曲强度为83.88MPa;随着预制体孔隙率的降低,复合材料的密度、弹性模量和抗弯曲强度不断降低,预制体孔隙率的降低影响液相Si充分扩散与C反应,造成复合材料内部存在大量闭孔,这是导致C/SiC复合材料性能下降的主要原因。     

Cu/C复合材料的研究现状

Cu／C复合材料是一种极具发展前途的金属基复合材料。综述了Cu／C复合材料的性能特点和国内外的研究现状，并深入介绍了粉末冶金法、热压固结法、液相浸渗法3种主要的Cu／C复合材料的制备工艺。粉末冶金法的优点是制造温度低，适于多种基体与纤维，特别是短纤维的结合；缺点是对纤维的损伤大，纤维分布不均。热压固结法相对粉末冶金法而言，对纤维的损伤小，材料性能较好，但工艺较复杂，制造成本高。液相浸渗法制得的Cu／C复合材料在发达国家得到了广泛的应用，但工序繁复，设备庞大，能耗大，成本高，而且仅适用于高石墨比例的Cu／C复合材料的制备。     

C／C坯体对RMI C／C—SiC复合材料组织的影响

以PAN基炭纤维（Cf）针刺整体毡为预制体，用化学气相渗透（CVI）、浸渍炭化（IC）方法制备了不同炭纤维增强炭基体的多孔C／C坯体，采用反应熔渗（RMI）法制备C／C—SiC复合材料，研究了渗Si前后坯体的密度和组织结构。结果表明：不同C／C坯体反应溶渗硅后复合材料的物相组成为SiC相、C相及单质Si相；密度低的坯体熔融渗硅后密度增加较多；密度的增加与开口孔隙度并不是单调增加的关系，IC处理的坯体开口孔隙度低，但渗硅后复合材料的密度增加较多；IC坯体中分布分散的树脂C易与熔渗Si反应，CVI坯体中的热解C仅表层与熔渗Si反应，在Cf和SiC之间有热解C存在；坯体密度相同时，IC处理的坯体中SiC量较多，单质Si相含量少且分散较好，而CVI坯体中SiC量较少，单质Si相的量较多；制备方法相同时，高密度的C／C坯体，渗硅后C相较多。     

C/C-SiC陶瓷制动材料的研究现状与应用

通过分析合成材料、粉末冶金材料、C/C和C/C-SiC复合材料等摩擦材料的特点及其性能,指出C/C-SiC复合材料是一种能满足高速高能载制动的高性能陶瓷制动材料.综述了先驱体转化法、化学气相浸渗法和反应熔体浸渗法制备C/C-SiC复合材料的优点及其不足,指明了反应熔体浸渗工艺是一种具有市场竞争力的工业化生产技术.介绍了我国研制的C/C-SiC陶瓷制动材料的组织结构、力学性能、摩擦磨损性能及其应用,并对C/C-SiC陶瓷制动材料的性能特点进行了评述.     

不同成分对C/C-SiC材料摩擦磨损行为的影响与机理

采用温压-原位反应法制备C/C-SiC复合材料,研究了SiC、石墨和树脂炭成分对C/C-SiC材料摩擦磨损行为的影响及其机理.结果表明:SiC在摩擦表面摩擦膜的形成过程中起骨架作用,提高SiC的含量有利于提高摩擦系数,降低磨损率;树脂炭在材料中具有粘结各成分和提高摩擦系数的作用,但其成膜性较差,易增大磨损率;石墨粉在制动过程中起润滑作用,适量石墨粉有助于形成稳定的摩擦膜降低磨损率;摩擦表面摩擦膜的形成有利于减少C/C-SiC材料的磨损率.     

C／C-SiC陶瓷基复合材料刹车副摩擦性能研究

以不同孔隙率的C／C复合材料为预制体，以甲基三氯硅烷（CH3SiCl3）为反应源气，以氩气为载气，高纯氢气为稀释气体，用化学气相渗透法（CVI）制备一系列C／C—SiC复合材料。通过在MM-2000摩擦磨损实验机上的摩擦试验，对该系列材料的摩擦磨损性能进行了研究，详细分析了不同压力和摩擦环境（湿态和干态）对材料摩擦性能的影响。结果表明，在外界条件相同的情况下，随着压力的增大，材料的摩擦系数先增大后降低；随着SiC含量增加，材料摩擦磨损性能先增强后下降，SiC含量在40％左右具有最好的摩擦磨损性能。在湿态环境下材料的平均动摩擦性能明显衰退，但是当压力增大时这种衰退的影响减小。     

C/C-SiC-ZrC复合材料的制备及其力学性能

利用浆料浸渗技术将纳米ZrC粒子引入到CFRP先驱体中,裂解CFRP获得C/C-ZrC多孔体,然后采用液硅熔渗反应工艺制备了C/C-SiC-ZrC复合材料。使用SEM和XRD对材料微观形貌和组织进行了观察与分析。采用三点弯曲和单边缺口梁法(SENB)对C/C-SiC-ZrC复合材料的弯曲强度和断裂韧性分别进行了测试。结果表明:采用浆料浸渗技术可以将纳米ZrC粒子均匀的弥散在C/C-ZrC多孔体中,随着引入ZrC纳米粒子含量的增多,C/C-ZrC多孔体孔隙率增大。经液硅熔渗反应后,获得的C/C-SiC-ZrC复合材料具有不同微观组织结构。力学性能测试发现,当纳米ZrC粒子含量为5%(质量分数)时,复合材料弯曲强度和断裂韧性达到了最大值;当ZrC粒子含量超过5%时,其弯曲强度和断裂韧性有所下降,表明适量纳米ZrC粒子的引入,可以改善C/C-SiC-ZrC复合材料的力学性能。     

短炭纤维增强C/C-SiC制动材料的摩擦磨损性能

采用温压？原位反应法制备C/C-SiC复合材料,利用QDM150型摩擦试验机研究短炭纤维（SCF）长度和纤维体积分数对C/C-SiC制动材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：C/C-SiC制动材料能够保持较高且稳定的摩擦因数;SCF的体积分数将影响C/C-SiC制动材料的摩擦磨损性能,纤维体积分数为10%时,材料具有适中的摩擦因数和较低的磨损率;SCF长度对C/C-SiC制动材料的摩擦磨损性能有显著影响,炭纤维长度为12 mm时,材料具有最佳的摩擦磨损性能。     

碳/碳-碳化硅复合材料在舰载机尾流场中烧蚀性能研究

为了提高航空母舰燃气导流板的工作性能,将碳/碳-碳化硅复合材料（C/C-SiC）试件在舰载机尾流中做模拟起飞工况的多次重复烧蚀试验,测定试件的烧蚀率和抗热震性能;采用扫描电镜（SEM）和微CT观察试件烧蚀后的微观形貌,采用能谱分析（EDS）测量燃烧产物的成份,对试件的烧蚀机理和热震损伤机制进行分析。结果表明：试件的线烧蚀率约为0.0405mm/s,质量烧蚀率约为0.0349g/s。在热影响区,复合材料基体在热震的作用下出现裂纹,而氧化反应不明显;在过渡区,热震使试件发生氧化反应生成SiO2在碳纤维的周围沉积,形成包鞘结构,有效地阻滞了氧化反应向内部传递,降低了试件的烧蚀率;在烧蚀中心区,生成的SiO2易被高速气流吹除掉而无法大量沉积,对氧化反应的阻滞作用不大,试件在此处烧蚀成凹坑,碳纤维呈尖笋状分布;试件的损伤机制是裂纹和氧化共同作用的结果,复合材料总体表现出优异的抗烧蚀性能。     

Effect of C/SiC Volume Ratios on Mechanical and Oxidation Behaviors of Cf/C-SiC Composites Fabricated by Chemical Vapor Infiltration Technique

C/SiC volume ratios in carbon fiber-reinforced carbon-silicon carbide (C_f/C-SiC) composites may influence greatly mechanical and oxidation properties of the composites, but have not been well investigated yet. Herein, C_f/C-SiC composites with different C/SiC volume ratios were fabricated by chemical vapor infiltration (CVI) technique through alternating the thickness of a pyrocarbon (PyC) interlayer. The composites with C/SiC volume ratios of 0.37 and 0.84 exhibited the better comprehensive mechanical properties. The CS0.37 showed the highest flexural strength of 340.6 MPa, and CS0.84 had the maximum tensile strength of 139.1 MPa. The excellent mechanical properties were closely related to the relatively low C/SiC volume ratios and porosities, optimum interfacial bonding and reduced matrix micro-cracks. The composite with a low C/SiC volume ratio of 0.10 showed the best anti-oxidation performance due to its high SiC content. The oxidation mechanisms at 1100 °C and 1400 °C were discussed by considering the effect of the C/SiC volume ratios, pores and matrix micro-cracks, oxidation of carbon phase and SiC.     

多孔体制备工艺对C/C-SiC复合材料弯曲性能的影响

以针刺整体炭毡为坯体,采用CVD和树脂浸渍／炭化混合法增密制备了4种C／C多孔体,然后熔硅浸渗C／C多孔体制备了C／C-SiC复合材料;研究了不同炭涂层、高温热处理对C／C-SiC复合材料弯曲强度和断裂方式的影响。结果表明：热解炭涂层可减少制备过程中炭纤维的损伤,具有适中的界面结合强度,使复合材料的弯曲强度达到161．5MPa,表现出良好的“假塑性”;适当选择高温热处理工艺可制备弯曲性能较高,具有一定“假塑性”的C／C-SiC复合材料。