SiCf/SiC陶瓷基复合材料制备技术与性能研究进展

连续SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料(SiCf/SiC)具有良好的高温力学性能、抗氧化性及放射耐受性等,是继Cf/C和Cf/SiC复合材料之后航空航天和原子能等领域最理想的新一代高温结构材料.从原材料、制备技术、微观结构与性能及应用等方面对SiCf/SiC复合材料的最新研究进展进行了综述,并对其发展趋势进行了展望.开发新型制备技术和优化现有技术及采用其联合工艺减低成本,进一步优化材料微观结构提高其使用性能是今后SiCf/SiC复合材料的研究重点.     

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。     

连续碳化硅纤维增强钛基(SiCf/Ti)复合材料的制备技术及界面特性研究综述

连续碳化硅纤维(SiCf)由于具有比强度、比模量高,耐磨性、热稳定性好等性能优点,常作为增强体制备SiC纤维增强钛基复合材料。与钛合金基体相比,其具有密度更低、强度更高、疲劳蠕变性能大幅提升等优点,但横向性能却明显下降。因此,该类材料常被设计制作成单向增强性部件,广泛应用在航空航天等领域,如发动机的传动轴、整体叶环、盘类及风扇叶片等多种复合材料的结构件。碳化硅纤维增强钛基复合材料的性能主要由碳化硅纤维的性能、基体性能及纤维与基体之间的结合界面性能决定。目前批量生产的SiC纤维性能较差,界面结合状态与复合材料性能之间关系的研究开展较少,还不能为钛基复合材料构件设计提供足够的数据支持。因此,近年来研究者们主要从SiCf/Ti基复合材料力学行为的研究角度出发,探究不同基体及纤维类型、复合材料制备工艺方法、界面特性及产物对SiCf/Ti基复合材料界面结合力及破坏机制的影响,获得了大量有价值的数据,以期开发出成本低、产物稳定性好、可批量生产SiCf/Ti基复合材料的制造工艺方法。目前较为成熟的碳化硅纤维有英国DERA-Sigma公司提供的Sigma系列SiCf及美国Textron公司提供的SCS系列SiCf,后者强度最高达到6 200 MPa。SiCf/Ti基复合材料的制备工艺包括金属箔-纤维-金属箔工艺(FFF)、单层带工艺(MT)、基体-涂层纤维工艺(MCT)等,制备复合材料的工艺根据零部件的用途来定,FFF适用于制备板材等大尺寸构件,MCT适用于制备叶环、轴、管、叶片等复杂结构件。界面是增强体与基体之间的纽带和桥梁,界面结构设计、界面反应控制及反应产物均影响着界面的力学特性。在SiCf/Ti基复合材料的纤维和基体之间添加过渡层能够减缓它们之间的相互扩散及化学反应,过渡层选用反应层和惰性涂层组成的双层涂层较好。界面反应产物受涂层成分、基体组织、复合和热处理工艺、环境因素等的影响,增强纤维及基体性能、优选制备工艺、控制界面反应及产物有利于提高复合材料的力学性能。本文总结了连续SiC纤维(SiCf)增强钛基复合材料的应用研究现状,详述了SiCf/Ti基复合材料的钛合金基体材料、SiCf的种类及性能,SiCf与SiCf/Ti基复合材料的制备方法,分析了SiCf/Ti基复合材料界面结构设计及反应产物,阐明了界面力学特性与复合材料性能的关系,指出国内SiCf/Ti基复合材料发展的重点应放在高性能SiC纤维的研究与开发、界面层设计及界面与性能的关系以及复合材料分析检测手段三个方面,为SiCf/Ti基复合材料的制备及其今后的实际应用提供了参考。     

碳化硅泡沫陶瓷/铝双连续相复合材料结构特征及增强机制

为了研究碳化硅泡沫陶瓷(SiCf)在铝基复合材料中的增强机制,采用高分子热解结合反应烧结的方法制备出具有三维连通网络结构特征的SiCf,利用挤压铸造的方法将熔融铝合金压注到泡沫陶瓷网孔中,获得了SiCf/铝双连续相复合材料并开展了复合材料高温膨胀系数(CTE)和压缩性能实验.实验结果表明:SiCf利用三维连通网络结构对...     

SiCf/SiC陶瓷复合材料的研究进展

SiCf/SiC陶瓷复合材料具有良好的力学性能、高温抗氧化性和化学稳定性，是航空航天和原子能等领域理想的新一代高温结构材料。本文概述了增强体SiCt的发展状况及存在的问题，对SiCt/SiC材料的制备工艺、界面相的研究状态、材料的损伤破坏机理和目前的应用研究进展做了综述，并分析了SiCf/SiC陶瓷复合材料的研究重点和发展前景。     

SiCf/Ti复合材料的研制

概述了国外碳化硅连续纤维增强钛基复合材料的研制、性能及应用情况，并对箔压法制备SiCf/Ti复合材料的工艺及材料性能进行了研究。结果表明，本研究采用FFF法制作的SiCf/Ti复合材料能达到国外同类材料水平。此外，本研究还对SiCf/Ti复合材料各主要制作工艺进行了分析比较，认为真空等离子喷涂工艺是较有前途的。     

新型骨水泥 CMCS的研制

研制了一种新型的磷酸钙骨水泥产品(CMCS),研究了CMCS制备的各种工艺条件(如组分配比、液固比等)对产品性能的影响,分析讨论了CMCS水化机理。     

CVD SiC涂层SiC纤维增强SiC复合材料的研究

本文采用CVD技术对KD-1 SiC纤维作涂层处理,再通过聚碳硅烷浸渍裂解法制备单向SiCf/SiC复合材料.研究了不同沉积时间的CVDSiC涂层对SiCf/SiC复合材料性能的影响,同时运用SEM研究了SiC纤维表面SiC涂层的形貌.结果表明:经过5小时CVDSiC涂层SiCf/SiC复合材料具有良好的力学性能和抗氧化性能.     

壳聚糖在铝低压力化学机械抛光中的钝化作用及抛光行为研究

为了满足铝等软金属低压力的抛光要求，往往采用引入钝化剂的方式增强抛光液的缓释性，从而提高抛光质量。但是传统的强钝化剂存在价格高、缓蚀效果过强、污染环境等问题。采用羧甲基壳聚糖(CMCS)代替传统的强钝化剂以达到弱缓蚀与低压力抛光的平衡作用。通过静态腐蚀、化学机械抛光(CMP)实验，研究了CMCS对铝片在弱碱性条件下的抛光效果的影响规律；通过Zeta电势及粒径分析研究了CMCS对抛光液硅溶胶稳定性的影响。实验结果表明，CMCS的加入可以有效降低铝片表面受到的化学腐蚀作用；同时质量分数为0.05%的CMCS还可以提高硅溶胶的分散性，防止磨料聚集对铝片表面造成侵蚀性划伤。采用XPS、电化学等实验表征手段研究了CMCS对铝片表面的缓蚀效果，验证了CMCS在铝片表面可以形成纳米吸附层起到界面型缓蚀剂的作用。     

气相渗硅工艺制备KD-1 SiCf/SiC 复合材料及其性能研究

以国产KD-1型SiC纤维为增强体,采用化学气相沉积和酚醛树脂浸渍裂解获得两种碳源的多孔SiCf/C,通过气相渗硅工艺制备了KD-1 SiCf/SiC复合材料,对复合材料的微观结构和力学性能进行了研究.结果表明:不同碳源的多孔SiCf/C,经过气相渗硅得到SiCf/SiC复合材料的断裂韧性相差较大,分别为12.9,2.0MPa·m1/2.而对于酚醛树脂浸渍裂解制备的高孔隙率SiCf/C中间体,经过气相渗硅得到SiCf/SiC复合材料的密度及力学性能明显高于由低孔隙率SiCf/C得到的SiCf/SiC复合材料.     

SiC陶瓷纤维力学性能评价

耐高温SiC陶瓷纤维是CMCs的主要增强体.SiC纤维必须有适宜的物理、化学、机械性能,包括刚度(杨氏模量)、强度、抗蠕变性、耐氧化性,这些性能是制约CMCs工业应用的重要因素.本文总结了SiC陶瓷纤维符种力学性能状况,包括强度、模量与测试温度和室温的关系以及与时效的关系,蠕变行为及热处理、氧化、时效对其影响,断裂行为及热处理和氧化的影响.最后,对SiC陶瓷纤维力学性能发展方向提出了建议.     

氧化物/氧化物陶瓷基复合材料的研究进展

氧化物/氧化物陶瓷基复合材料(CMCs )具有很多优良的性能, 如高比强度、高比模量、优异的抗氧化性能等, 可应用于航空发动机燃烧室和尾喷管等热端部件。本文概述了氧化物/氧化物CMCs的增强纤维和陶瓷基体, 指出单晶氧化物纤维和莫来石陶瓷基体应用潜力较大; 从改善纤维/基体界面结合程度的角度出发, 综述了从界面相和多孔基体角度提高力学性能的方案; 分析了限制其应用的三个关键问题(缺口敏感度、蠕变容忍度和耐烧蚀性能), 最后对其未来发展进行了展望。     

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.     

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。     

Recent developments in fibers and interphases for high temperature ceramic matrix composites

The long term durability of CMCs is limited by two factors: (1) creep and rupture of the fibers, and (2) environmental degradation of the constituents, primarily in the nonoxide composites. Oxide CMCs are limited by the creep resistance of the fiber at this stage of development and by interphase concepts that are not yet mature. Nonoxide fibers have been developed with excellent creep resistance relative to oxide fibers, but oxidation of the interphase and the interface, particularly at intermediate temperatures, causes embrittlement of these composites. This effect is particularly severe when matrix cracks are present and under cyclic loading conditions.     

炭材料高温抗氧化研究进展

综述了炭材料的氧化行为、抗氧化方法及其研究进展,并对炭材料高温抗氧化的未来研究重点进行了分析.     

炭/炭复合材料抗氧化研究进展

C/C复合材料的高温氧化性能限制了其在高温领域的更广泛应用.简要介绍了C/C材料的氧化机理,综述了两种主要的抗氧化方法,即基体改性和涂层技术;并就涂层体系的要求、基本结构和影响因素作了详细介绍,同时对C/C复合材料抗氧化研究发展的趋势提出了一些见解.     

Creep investigations of alumina-based all-oxide ceramic matrix composites

The long-term tensile creep behavior of all-oxide ceramic matrix composites (CMCs) was investigated. The accompanying fiber bundle tests revealed a strong influence of processing conditions on the creep resistance. CMCs with perpendicular fiber orientations were tested under two different load directions, moreover CMCs with nearly unidirectional fiber texture were investigated. Depending on the conditions, the absence of a steady-state creep stage was observed in most cases and due to an early onset of damage. As the majority of the samples was tested up to high strains and rupture, different failure mechanisms could be evaluated. An attempt was made to estimate fiber controlled creep rates via bundle data, but this approach also revealed problems when elastic data from unidirectional composites are transferred to CMCs with more complex fiber architecture.     

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.     

稀土掺杂TiAl基合金的研究进展

稀土元素掺杂改性TiAl基合金效果明显,其在组织和层片细化、高温力学性能改善、高温抗氧化性能提高方面作用显著,同时其与传统合金化元素还可产生一定的交互作用,进一步增强改善效果。在传统粉末冶金制备稀土掺杂TiAl基合金材料的研究基础上,从组织片层结构、高温力学和抗氧化性能等角度综述了稀土掺杂改性TiAl基合金材料现阶段的研究现状,并从一些关键技术问题角度分析了未来的研究方向。