先驱体转化法制备2D C/C-ZrB2复合材料及其性能研究

本文针对C/C复合材料存在高温抗氧化和抗冲刷性能较差等缺点,提出对C/C复合材料进行改性以改善其性能.通过碳布叠层工艺均匀刷涂浆料,采用先驱体转化法制备了三种不同ZrB2含量的2D C/C-ZrB2复合材料,探索ZrB2含量对其力学、抗氧化、抗烧蚀等性能和微观形貌的影响.结果表明:刷涂料浆(ZrB2体积分数10%)制备的复合材料综合性能优异,其弯曲强度为250.37 MPa,断裂韧性为13.84 MPa·m1/2;样品经1200 ℃氧化30 min后质量保留率达到90.65%,强度保留率达到85.14%;经氧乙炔焰烧蚀60 s后,其质量烧蚀率为0.01802 g/s,线烧蚀率为0.01217 mm/s.     

挤压铸造法制备Al/AlN陶瓷基复合材料

通过碳热还原法制备气孔率可控的多孔氮化铝预制体,利用挤压铸造工艺制备出Al/AlN陶瓷基复合材料。氮化铝与铝不发生化学反应,避免了过度的界面反应对复合材料性能的不利影响。随着复合材料中铝合金含量的增加,复合材料的弯曲强度和显微硬度下降,断裂韧性增加。铝合金的断裂模式是韧性撕裂,氮化铝晶粒以穿晶断裂为主。复合材料的增韧机制主要有裂纹桥联增韧和微裂纹增韧。     

先驱体转化法制备C/C-SiC复合材料研究

以多孔C/C复合材料为预制型,聚碳硅烷(PCS)为先驱体,制备了C/C-SiC复合材料。研究了浸渍液浓度和不同C/C复合材料预制体密度等级对C/C-SiC复合材料的密度和力学性能的影响。结果表明:当浸渍液浓度为50%时,复合材料的密度均达到最佳值;不同的预制体密度对制得的复合材料性能有很大的影响,其中初始密度为1.2g/cm3试样制得的复合材料性能达到最优,其密度达到1.786g/cm3,弯曲强度达204.1MPa,剪切强度为16.1MPa,断裂韧性为6.83MPa·m1/2。     

先驱体转化法制备莫来石毡/氧化锆多孔复合材料的显微结构与力学性能

以ZrO2前驱体混合液作为浸渍液,莫来石毡为前驱体附着骨架,采用真空压力浸渍工艺制备出莫来石毡/氧化锆多孔复合材料。研究了不同烧结温度(1 300、1 350、1 400和1 450℃)下该多孔复合材料的物相组成、体积密度、开口气孔率、压缩强度及显微结构。结果表明,烧结之后的多孔复合材料发生了四方相氧化锆到单斜相氧化锆的转变,相转变过程直接导致较低烧结温度(1 300和1 350℃)下制备的多孔复合材料体积密度低于烧结前的;而在较高烧结温度下,晶粒间更加紧密联结并生长出大晶粒,材料致密化程度和压缩强度提高,其中,1 450℃烧结制备的多孔复合材料体积密度为2.16g/cm3,开口气孔率约为46.5%,平均压缩强度达到31.6MPa。     

C/C-ZrB2-ZrC-SiC超高温复相陶瓷基复合材料的性能

以聚合有机锆烷、聚合有机硼氮锆烷与聚碳硅烷组成的共溶前驱体为原料,采用化学气相渗透和聚合物浸渍裂解工艺制备了C/C-ZrB2-ZrC-SiC超高温陶瓷基复合材料,对其物相组成、微观结构、力学性能和抗烧蚀性能进行了研究. 结果表明,所制材料基体由ZrB2和ZrC纳米颗粒均匀弥散分布于连续的SiC相中构成. 随热解炭含量增加,材料的弯曲强度和断裂韧性皆呈先上升再下降的趋势,其含量为22.3%(j)的材料的力学性能最优,弯曲强度和断裂韧性分别为127.9 MPa和6.23 MPa×m1/2,且具有假塑性断裂特性. 材料在1800~2200℃等离子弧中1000 s的线烧蚀率小于1.67 mm/s,质量烧蚀率小于1.66 mg/s.     

C/C预制体密度和反应温度对RMI法制备C/C-SiC复合材料力学性能和微观结构的影响

研究C/C预制体密度和反应温度对RMI法制备C/C-SiC复合材料密度、弯曲强度和微观结构的影响。实验通过化学气相渗透法(CVI)制备密度分别为1.2g/cm~3、1.4g/cm~3和1.6g/cm~3的低密度C/C多孔预制体,采用反应熔渗法(RMI)制备密度分别为2.21g/cm~3、2.18g/cm~3和1.82g/cm~3的C/C-SiC复合材料;将CVI制备的低密度C/C多孔预制体,采用RMI法在1500℃、1650℃和1800℃的反应温度下制备密度分别为1.79g/cm~3、2.18g/cm~3和2.41g/cm~3的C/C-SiC复合材料。结果表明:随着C/C预制体密度增加,C/C-SiC复合材料密度不断降低,弯曲强度呈先上升后下降的趋势,在C/C预制体密度为1.4g/cm~3时,材料的性能达到最优状态,材料的密度为2.18g/cm~3,弯曲强度为196.7MPa;随着RMI反应温度增加,C/C-SiC复合材料密度不断升高,材料弯曲强度呈先上升后下降的趋势,在反应温度为1650℃时,材料性能达到最优状态,材料密度为2.18g/cm~3,弯曲强度为196.7MPa。     

RTM成型针刺预制体增强糠酮树脂烧蚀复合材料性能研究

以炭布/炭网胎叠层针刺预制体为增强体,糠酮树脂为基体,采用RTM工艺制备出表面质量良好的复合材料,对复合材料的力学及烧蚀性能进行测试分析.结果表明,制备的复合材料具有良好的力学性能特别是层间剪切强度,高达66.3MPa;氧-乙炔线烧蚀率为0.0368mm/s,质量烧蚀率为0.0865g/s,烧蚀性能较好.     

SiC组分含量对SiC/Cu复合材料力学性能的影响

采用真空热压法制备了不同配比的SiC/Cu金属陶瓷复合材料.利用阿基米德原理测定了复合材料的密度及气孔率;利用Instron万能材料电子试验机测得其三点弯曲强度;采用Hv-1000显微硬度仪测试其显微硬度,采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对烧成样品的物相组成和断口显微形貌进行表征.结果表明:随着SiC组分含量的增加,SiC/Cu复合材料的致密度、抗弯强度均有所下降,而气孔率和显微硬度显著增加.在750 ℃,30 MPa压力作用下,保温3 min,制备得到的30SiC/70Cu(vol%)的复合材料,具有最优的力学性能,其显微硬度达到2087.2 MPa,抗弯强度为174.0 MPa.SiC/Cu复合材料的断裂行为既表现出一定的微观韧性特征,又表现出一定的脆性特征.     

石英纤维增强可瓷化硼酚醛耐烧蚀复合材料研究

以硼酚醛树脂为基体,石英纤维为增强体,氧化硅、石墨及云母为陶瓷填料制备了可瓷化复合材料。通过1 400℃下烧结前后材料的力学性能测试、氧-乙炔焰(2 100℃)烧蚀性能测试,扫描电镜、热重分析及X射线衍射分析研究了不同含量陶瓷填料对石英纤维增强可瓷化硼酚醛树脂复合材料性能的影响。结果表明,常温下石英纤维增强可瓷化硼酚醛树脂复合材料的弯曲强度随着陶瓷填料含量的增加呈先升高后降低的趋势,最高可达到220.62 MPa,经过1 400℃马弗炉烧蚀后,弯曲强度最高可达19.10 MPa。随着陶瓷填料含量的增加,复合材料的耐烧蚀性能提高,质量烧蚀率和线烧蚀率最低可分别达到0.050 g/s和0.0187 mm/s。陶瓷填料经1 400℃高温处理后在一定程度下可生成SiC,使材料转变为含碳化硅的陶瓷基复合材料,提高了复合材料的弯曲强度、耐烧蚀性和耐高温性。与通常碳化硅陶瓷复合材料相比,该制备工艺简单,可大规模生产,实现了陶瓷基复合材料的低成本化。     

热处理温度对SiO2f/SiO2复合材料性能的影响

开发承载隔热一体化的隔热材料对高温工业节能减排具有重要的现实意义。以石英纤维针刺毡为增强体,硅溶胶为先驱体,采用先驱体浸渍热处理法制备了石英纤维增强二氧化硅基(SiO_2f /SiO₂)复合材料。研究了热处理温度（400～900 ℃）对Si O_2f /SiO₂复合材料的密度、气孔率、力学性能及热学性能的影响。采用 X 射线衍射和扫描电子显微镜表征复合材料的组成及微观形貌;采用顶杆法和瞬态热线法测定复合材料的热膨胀系数和热导率。结果表明：随着热处理温度的提高,试样的密度变化不大,显气孔率和力学强度整体呈先升高再降低的趋势。450 ℃热处理后的试样综合性能最佳,试样的三点弯曲强度为 23.5 MPa,抗压强度为 61.9 MPa,表现出明显的韧性断裂行为。在 300～700 ℃之间,试样的热膨胀系数为 0.564×10^-6/℃,热导率随温度升高而降低,在 700 ℃时低至 0.096 W/（m·K）。Si O_2f/SiO₂复合材料在承载隔...     

酚醛气凝胶/碳纤维复合材料的结构调控及性能研究

以酚醛树脂为前体、碳纤维针刺预制体为增强体,采用溶胶-凝胶、常压干燥方法制备得到纳米孔酚醛气凝胶/碳纤维复合材料。在不改变材料密度的条件下,通过调节固化剂的用量来调控酚醛气凝胶的纳米颗粒尺寸及孔隙结构,改变气凝胶颗粒在碳纤维针刺预制体中的填充状态,制备出不同微观结构的复合材料。研究表明：随着固化剂用量的减少,气凝胶的颗粒粒径逐渐变小,平均孔径在230 nm~5μm范围内可调;与碳纤维复合后,随着气凝胶颗粒的减小,复合材料的力学性能逐渐提升、热导率逐渐降低、烧蚀性能明显提高。优化后的PAC复合材料具有极低的密度（0.27 g·cm^-3）、高弯曲强度（8.9 MPa）、较低的热导率（0.065 W·m^-1·K^-1）;在2000℃、30 s的中等热流烧蚀条件下,质量烧蚀率为0.0081 g·s^-1、线烧蚀率为0.0204 mm·s^-1。通过调控材料的纳米结构,能够有效地提升材料的力学、隔热以及烧蚀性能,满足高性能热防护应用需求。     

酚醛气凝胶/碳纤维复合材料的结构调控及性能研究

以酚醛树脂为前体、碳纤维针刺预制体为增强体,采用溶胶-凝胶、常压干燥方法制备得到纳米孔酚醛气凝胶/碳纤维复合材料。在不改变材料密度的条件下,通过调节固化剂的用量来调控酚醛气凝胶的纳米颗粒尺寸及孔隙结构,改变气凝胶颗粒在碳纤维针刺预制体中的填充状态,制备出不同微观结构的复合材料。研究表明:随着固化剂用量的减少,气凝胶的颗粒粒径逐渐变小,平均孔径在230 nm~5μm范围内可调;与碳纤维复合后,随着气凝胶颗粒的减小,复合材料的力学性能逐渐提升、热导率逐渐降低、烧蚀性能明显提高。优化后的PAC复合材料具有极低的密度(0.27 g·cm~(-3))、高弯曲强度(8.9 MPa)、较低的热导率(0.065 W·m~(-1)·K~(-1));在2000℃、30 s的中等热流烧蚀条件下,质量烧蚀率为0.0081 g·s~(-1)、线烧蚀率为0.0204 mm·s~(-1)。通过调控材料的纳米结构,能够有效地提升材料的力学、隔热以及烧蚀性能,满足高性能热防护应用需求。     

烧结工艺对SiC/Cu–Al复合材料的力学性能及断裂行为的影响

以Cu包裹SiC颗粒为增强体,分别采用真空热压烧结和常压氩气气氛保护烧结方式制备含5%(体积分数)SiC颗粒的SiC/Cu–Al复合材料。研究了不同烧结温度对样品密度、Vickers硬度和弯曲强度的影响。采用X射线衍射、扫描电镜对样品的晶相组成和结构进行了测定。结果表明热压制品相对常压烧结制品的晶相组织均匀,晶粒细小。热压烧结可以大大提高SiC/Cu–Al复合材料的致密度,最高达到理论密度的99.9%。热压烧结的制品的硬度得到提高,550℃热压烧结的制品硬度最高可达到65MPa,575℃烧结时,其最大抗弯强度为190MPa,断裂机制主要是增强的颗粒断裂和基体撕裂。     

热解碳对先驱体浸渍裂解3D-C_f/SiC复合材料性能影响

以三维编织T300碳纤维为预制体,通过控制化学气相渗积(CVI)沉积时间制备厚度不同的热解碳界面相,采用先驱体浸渍裂解(PIP)工艺增密制备3D-C_f/SiC复合材料,研究界面相对先驱体浸渍裂解3D-C_f/SiC复合材料性能影响。结果表明:3D-C/SiC复合材料在合适的界面相厚度下能够获得更好的增韧效果。热解碳厚度为220±20 nm时,3D-C_f/SiC复合材料弯曲强度为388.8 MPa,弯曲断口处纤维呈台阶式拔出,拔出面参齐不齐,弯曲强度最大,增韧效果最佳。     

C/C-SiC-HfC复合材料的微观结构及力学性能研究北大核心

采用炭纤维和陶瓷粉末混编技术将HfC粉引入到炭纤维预制体中,制备了含有HfC超高温陶瓷粉末的炭纤维预制体;随后采用化学气相渗透(CVI)和先驱体浸渍裂解工艺(PIP)制备了密度高达1.94 g/cm^(3)的C/C-SiC-HfC复合材料,分析了复合材料的微观结构及力学性能。结果表明,制备的复合材料主要由C、SiC及HfC等物相组成,复合材料的平均弯曲强度达到了78.3 MPa,平均压缩强度为127.9 MPa;断裂过程中,断口处出现明显的裂纹扩展、纤维拔出及脱粘现象,从而使得材料呈现出一定的假塑性断裂特征。     

碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料的多相反应制备与抗烧蚀性能

为提高C/C复合材料在2000℃以上有氧环境中的抗氧化烧蚀性能,本研究采用ZrB₂浆料浸渍、ZrC-SiC前驱体浸渍裂解与Si-Zr10共晶合金反应熔渗复合工艺制备了C/C-SiC-ZrB₂-ZrC复合材料,细致研究了复合材料在熔渗过程中的基体微观结构演变机理及其力学性能和抗烧蚀性能。结果表明,在反应熔渗结束后的降温阶段,部分ZrC陶瓷与残余Si熔体通过原位固-液反应转化为ZrSi₂和SiC,生成的亚微米级SiC颗粒均匀镶嵌于ZrC-ZrSi₂二元混合物中,最终形成ZrC-ZrSi₂-SiC三相混合微区。制备的C/C-SiC-ZrB₂-ZrC复合材料密度为3.18 g/cm³,开孔率为2.77%,其弯曲强度和弯曲模量分别为121.46±13.77 MPa和21.78±5.56 GPa。在其断口处能观察到较长且较多的单丝纤维拔出以及明显的界面脱黏,这表明复合材料的失效方式为韧性断裂。经2000℃,300 s的大气等离子体烧蚀,复合材料表...     

(Mg0.2Co0.2Ni0.2Cu0.2Zn0.2)Fe2O4高熵陶瓷的制备与吸波性能

采用固相反应法制备了单相块体(Mg_0.2Co_0.2Ni_0.2Cu_0.2Zn_0.2)Fe₂O₄高熵尖晶石陶瓷。结合X射线衍射，扫描电子显微镜和能谱仪对制备过程中的物相组成、显微结构和元素分布进行分析。随烧结温度的升高陶瓷材料体积密度增大，气孔率降低，1 200℃烧结所得致密高熵尖晶石陶瓷材料呈单相，元素均匀分布，其弯曲强度和断裂韧性分别达43.00 MPa和1.30 MPa·m^1/2。所制备高熵尖晶石陶瓷对电磁波兼具介电损耗和磁损耗能力，其在3.0 mm处可获得最大的有效吸收带宽为12.37 GHz，是具有一定承载能力和优异宽频吸波性能的陶瓷材料。     

基于凝胶注模的高透性ZrO2陶瓷研究

以5Y-PSZ纳米粉体为原料通过水基凝胶注模成型制备了ZrO₂陶瓷材料，探究烧结温度对ZrO₂陶瓷晶相组成、力学性能、微观结构和透光性等的影响。结果表明：当终烧温度从1425℃升高到1550℃时，烧结体的晶粒尺寸逐渐增大，晶粒生长得不均匀性和不对称性愈发严重，烧结体的抗弯强度和透光度均先增大后减小。在终烧温度为1475℃时，强度达到最大，为476 MPa，此时透性T%(1 mm)为35.9%；在终烧温度达到1500℃时，烧结体的透性T%(1 mm)达到最大，为40.75%，抗弯强度为430 MPa。     

TiN对热压烧结Si3N4–TiN复相陶瓷显微结构和力学性能的影响

研究了TiN的来源(TiN粉、TiO₂粉和TiO₂溶胶)对热压烧结Si₃N₄–TiN复相陶瓷的相组成、显微结构与力学性能的影响。结果表明,当以TiN粉为第二相添加剂时,试样中仅检测到β-Si₃N₄和TiN相,Si₃N₄晶粒与TiN颗粒较粗大,硬度、强度和断裂韧性分别为(15.6±0.3) GPa、(1 058±78) MPa和(11.2±0.6) MPa·m^1/2;当以TiO₂粉为第二相添加剂时,除了β-Si₃N₄和TiN相,还检测到O′-Sialon相,O′-Sialon相的含量为8.7%(质量分数),Si₃N₄晶粒与TiN颗粒均匀细小,样品硬度提高到(16.7±0.4) GPa,强度和断裂韧性没有显著变化,分别为(986±76) MPa和(11.3±0.4) MPa·m^...     

烧结工艺对SiC/Cu-Al复合材料的力学性能及断裂行为的影响

以Cu包裹SiC颗粒为增强体,分别采用真空热压烧结和常压氩气气氛保护烧结方式制备含5%(体积分数)SiC颗粒的SiC/Cu-Al复合材料.研究了不同烧结温度对样品密度、Vickers硬度和弯曲强度的影响.采用X射线衍射、扫描电镜对样品的晶相组成和结构进行了测定.结果表明:热压制品相对常压烧结制品的晶相组织均匀,晶粒细小.热压烧结可以大大提高SiC/Cu-A1复合材料的致密度,最高达到理论密度的99.9%.热压烧结的制品的硬度得到提高,550℃热压烧结的制品硬度最高可达到65MPa,575℃烧结时,其最大抗弯强度为190MPa,断裂机制主要是增强的颗粒断裂和基体撕裂.