含过渡金属的碳化硅纤维的制备及其电磁性能

采用超声波将平均粒径70～80nm的金属铁、钴、镍、钛微粒均匀分散到聚碳硅烷(PCS)内,通过熔融纺丝、不熔化处理、烧成,制备出具有良好力学性能和雷达波吸收性能的含过渡金属的碳化硅纤维(掺混型SiC纤维)。系统研究了惨混型SiC纤维的制备工艺及其电磁性能的影响因素,讨论了烧成过程中纤维微观结构的变化与纤维电学性能之间的关系,指出含Fe、Co、Ni的掺混型SiC纤维内游离碳的含量及其微观结构变化是影响纤维电阻率最重要的因素,这类纤维的导电模型是在外加电场作用下,自由电子主要沿纤维内连续的层状游离碳流动形成电流。含钛SiC纤维内主要的导电相是TiC。Ti含量达到一定值时,纤维内的TiC颗粒彼此相连成为连续相,导致纤维电阻率急剧下降。控制先驱体内金属含量和掺混型SiC纤维的烧成温度可以有效控制和调节掺混型SiC纤维的电阻率、复介电常数和复磁导率。含钛SiC纤维是一种非磁性纤维,掺杂Fe、Co、Ni的掺混型SiC纤维显一定磁性。电阻率为10~2Ω·cm左右的掺混型SiC纤维对X波段的雷达波具有最佳吸收性能。通过阻抗匹配优化设计,所制备的掺混型SiC纤维与环氧树脂复合制成的厚度4～5mm的多层结构吸波材料对X波段的电磁波具有较好的吸收性能。     

KD-S和KD-Ⅱ SiC_f/SiC复合材料的制备、微观结构及性能（英文）

以KD-S和KD-Ⅱ型碳化硅(SiC)纤维编织件为增强体,通过先驱体浸渍裂解工艺制备了以热解炭(PyC)为界面涂层的三维(3D)结构SiC_f/SiC复合材料,系统研究了SiC_f/SiC复合材料的微观结构及性能间的关系。结果表明:KD-S和KD-Ⅱ型SiC纤维均具有晶粒尺寸为8～15 nm的多晶结构;两种SiC_f/SiC复合材料的断口表面均出现了纤维拔出现象,说明两种SiC纤维增强的SiC_f/SiC复合材料均具有典型的伪塑性断裂行为。KD-S SiC_f/SiC复合材料的弯曲强度、弹性模量和断裂韧性分别达到(955.0±42.8) MPa,(110.3±1.7) GPa和(28.5±2.8) MPa·m~(1/2),明显高于KD-ⅡSiC_f/SiC复合材料,这归因于近化学计量比的KD-S型SiC纤维具有较高的模量和耐温性能。由于KD-S和KD-Ⅱ型SiC纤维的结构及成分差异,导致KD-S型SiC纤维表面的PyC界面涂层呈现光滑的多层有序结构,而KD-Ⅱ型SiC纤维表面的PyC为疏松颗粒状结构。     

化学气相沉积法连续SiC纤维的研究现状和发展趋势

综述了采用化学气相沉积法制备连续SiC纤维的研究进展,介绍了国内外化学气相沉积法制备的大直径、致密和均匀的SiC纤维的制备装置、制备工艺、性能、微观组织以及表面处理等热点研究方向,讨论了SiC纤维的制备工艺、性能和微观组织之间的关系以及利用表面处理如何弥补SiC纤维的缺陷,指出了今后采用化学气相沉积法制备连续SiC纤维的研究重点和发展趋势.     

化学气相渗透2D-SiCf/SiC复合材料的蠕变性能及损伤机理

研究了采用化学气相渗透工艺制备2D-SiC_f/SiC复合材料的真空蠕变性能, 蠕变温度为 1200、1300和1400 ℃, 应力水平范围为100~140 MPa。用扫描电子显微镜(SEM)和高分辨透射电子显微镜(TEM)分别观察分析了2D-SiC_f/SiC复合材料的蠕变断口形貌和微观结构。结果表明, 2D-SiC_f/SiC复合材料的主要蠕变损伤模式包括基体开裂、界面脱粘和纤维蠕变。桥接裂纹的纤维发生蠕变并促进了基体裂纹的张开、位移增大, 进一步导致复合材料蠕变断裂, 在复合材料蠕变过程中起决定性作用。2D-SiC_f/SiC复合材料的蠕变性能与SiC纤维微观结构的稳定性密切相关。在1200 ℃/100 MPa时, 纤维晶粒没有长大, 复合材料的蠕变断裂时间大于200 h; 蠕变温度为1400 ℃时, 纤维晶粒明显长大, 2D-SiC_f/SiC复合材料蠕变断裂时间缩短至8.6 h, 稳态蠕变速率增大了三个数量级。     

快速烧成连续碳化硅纤维的表面分析

以聚碳硅烷（PCS）为先驱体；经熔融纺丝、不熔化处理和快速烧成工艺制备出性能较好的连续碳化硅（SiC)纤维。采用XPS、SEM、TG等方法对所得SiC纤维的表面结构组成和热稳定性进行了分析，并探讨了快速烧成方式下引起纤维抗拉强度降低的主要原因。结果表明：快速烧成的SiC纤维表层有富含游离碳的热解沉积物，对纤维的热稳定性产生不利影响，采用超声清洗可以将其快速除去；表层缺陷是引起SiC纤维抗拉强度下降的主要原因。     

真空吸浆法制备C/SiC复合材料及力学性能研究

以碳毡为预制体,将SiC粉末、酚醛树脂等搅拌成混合浆液,采用真空吸浆法制备C/SiC复合材料,测定其密度、孔隙率和力学强度,利用扫描电镜(SEM)研究其断裂面的微观结构并分析失效机制。结果表明:真空吸浆两次后C/SiC复合材料的致密性、力学强度随着浆料中SiC含量的增加均呈先增加后减小的变化趋势,其裂纹扩展过程包括纤维/基体脱粘、纤维桥连、纤维摩阻、裂纹偏转、纤维拔出等几种增韧增强机制。综合比较,当浆料中SiC含量为25%(质量分数)时,其致密性和力学性能最好,密度为1.31g/cm3,孔隙率为15.10%,抗弯强度和抗压强度分别达84.04MPa和74.22MPa,材料具有较好的韧性。     

静电纺丝法制备SiC纤维

以聚碳硅烷(PCS)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为原料制得前躯体溶液,采用静电纺丝法制备出PCS/PVP前驱体纤维,经高温分解得到SiC纤维.X射线衍射证实纤维中生成了立方结构β-SiC相.采用扫描电子显微镜(SEM)对前驱体纤维及煅烧后SiC纤维的形貌进行了观察,所制备的SiC纤维直径很小,但均匀性不是很高,且表面依附一层非晶形SiO2薄膜层.     

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.     

连续含铁碳化硅纤维及其结构吸波材料的研制

为了研制碳化硅吸波纤维, 首次采用聚二甲基硅烷(PDMS)和二茂铁合成聚铁碳硅烷(PFCS), PFCS经多孔熔融纺丝、 空气不熔化和在N₂中1320℃连续烧成, 可制得连续含铁碳化硅(SiC(Fe))吸波纤维; 用SiC(Fe)纤维与环氧树脂制备的结构材料具有良好的吸波性能。XPS剖面分析、 Raman光谱表明: 纤维表面有一层厚约100nm的富碳层, 由表及里铁的含量逐渐增加; 随着温度的升高游离碳的排列逐渐规整化。研究了碳对纤维性能的影响, 结果表明: 游离碳的存在有利于纤维电阻率的降低, 复介电常数和介电损耗的增大。      

碳/碳化硅刹车材料的显微结构分析

采用反应熔体渗透法(reactive melt infiltration, RMI)制备了碳/碳化硅(C/SiC)刹车材料, 利用X射线衍射分析了材料组成, 并通过光学、扫描电子和透射电子显微镜从不同尺度观察了刹车材料的微观结构. 结果发现, 反应生成的SiC是面心立方的β-SiC, 主要分布在胎网层、针刺纤维附近以及无纬布层的纤维束间; 残余的单质Si分布在SiC的颗粒间. SiC在SiC-Si界面上, 以大约5～15μm的粗大颗粒存在; 而在SiC-C界面上, 以粒径100nm左右的细小颗粒存在.     

纳米SiC对重力分离SHS陶瓷内衬复合管组织及性能的影响

为提高输送管道陶瓷内衬层的致密性及硬度等性能,拓展其应用,采用重力分离自蔓延高温合成(SHS)法,用(Al-Fe2O3-CuO)+SiO2复合铝热体系,制备了陶瓷内衬复合管.分析了添加剂纳米SiC对陶瓷层组织的影响.XRD分析表明,陶瓷层的主要成分为a-Al2O3,还有少量铁铝尖晶石FeAl2O4和硅线石Al2SiO5及SiC存在,SiC不改变陶瓷层的组织结构.纳米SiC的引入有效地抑制了基质晶粒生长和减轻了晶粒的异常长大,使得陶瓷层的硬度和致密性提高.     

BN/SiC复合界面层对SiC纤维和PIP-Mini复合材料力学性能的影响

采用化学气相渗透(CVI)工艺, 在SiC纤维表面沉积BN和BN/SiC复合界面层, 对沉积界面层前后纤维的力学性能进行了评价。采用聚合物浸渍裂解(PIP)工艺进行致密化, 制得以原纤维、BN界面层和BN/SiC界面层纤维增强的三种Mini-SiC_f/SiC复合材料, 研究其微观结构和拉伸性能。结果表明: 采用CVI工艺制得的界面层厚度均匀、结构致密, 其中BN界面层中存在六方相, 晶体尺寸为1.76 nm; SiC界面层结晶性较好, 晶粒尺寸为18.73 nm; 沉积界面层后SiC纤维的弹性模量基本保持不变, 拉伸强度降低。与SiC_f/SiC相比, PIP工艺制备的SiC_f/BN/SiC和SiC_f/(BN/SiC)/SiC-Mini复合材料所能承受的最大拉伸载荷和断裂应变明显提升, BN界面层起主要作用。由断面形貌分析可以看出, SiC_f/BN/SiC和SiC_f/(BN/SiC)/SiC复合材料的纤维拔出明显, 说明在断裂时消耗的能量增加, 可承受的最大载荷增大。     

含铁碳化硅复合材料的制备

以聚碳硅烷(PCS)、羰基铁(Fe(CO)_5)、二乙烯基苯(DVB)和碳化硅(SiC)纤维为原料,采用先驱浸渍裂解工艺制备含铁碳化硅纤维增强碳化硅基(SiC_f/SiC)复合材料,研究了原料配比对交联反应的影响,以及浸渍次数对复合材料致密度及陶瓷产率的影响。研究表明:当羰基铁添加量为20%(质量分数),二乙烯基苯为5%(质量分数)时有利于基体交联的进行;经1100℃裂解后基体中可明显观察到β-SiC晶体的生成;经5次浸渍裂解,制得的复合材料密度为1.72g/cm~3,孔隙率为20.43%,陶瓷产率得到提高,达到82.67%。     

Cansas-Ⅱ SiCf/SiC复合材料的高温拉伸蠕变行为

连续碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC_f/SiC)是发展先进航空发动机的关键材料,航空发动机长时服役要求材料具有优异的高温蠕变性能。本工作研究了平纹编织Cansas-Ⅱ碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiC_f/SiC)在空气中的高温蠕变行为,蠕变温度为1200～1400℃,应力水平为80～140MPa。利用扫描电子显微镜(SEM)观察了2D-SiC_f/SiC复合材料的微观组织和断口形貌,使用能谱分析仪(EDS)进行了成分分析。结果表明:当蠕变应力低于比例极限应力(σ_PLS)时, 2D-SiC_f/SiC的蠕变断裂时间超过500h,稳态蠕变速率为1×10^–10～5×10^–10/s,蠕变行为由基体和纤维共同控制。当蠕变应力高于σ_PLS时,复合材料的基体、纤维和界面均发生氧化,蠕变断裂时间显著降低,稳态蠕变速率提高一个数量级,蠕变行为主要由纤维控制。     

连续含铁碳化硅纤维2～18GHz频段雷达波吸收性能探索

采用聚二甲基硅烷(PDMS)与二茂铁合成了聚铁碳硅烷(PFCS)。PFCS经多孔熔融纺丝、空气不熔化和N2中1320℃连续烧成,可制得连续含铁碳化硅(SiC(Fe))吸波纤维,此纤维与环氧树脂制备的结构材料对2～18GHz的雷达波具有较好的吸收。运用元素分析、红外光谱、核磁共振和XPS表征了PFCS的组成结构,结果表明,铁被引入到PFCS中;PFCS的主体结构为—Si—CH2—主链,其中Si上连接有—CH3、—CH2Si—和—H等;二茂铁的存在形式主要是茂环与部分主链Si的结合,因此二茂铁起到了使部分主链交联的作用。HRTRM分析表明连续SiC(Fe)纤维主要由无定型SiCxO4-x、晶态β-SiC和游离碳组成。     

组成和结构对连续SiC纤维电阻率的影响

通过烧成制备了电阻率量级大小不同的三种连续SiC纤维, 对纤维的元素组成、结晶性能和表面结构进行了分析. 结果表明: 通过调整不熔化及烧成工艺参数可以获得电阻率量级不同的连续SiC纤维. 当纤维表层具有一定厚度的高富碳层结构时, 纤维的电阻率受整体自由碳含量与结晶性能的影响不再显著, 此时, 纤维将具有较低的电阻率. 富碳层的产生与不熔化纤维烧成时分解产生的烃类小分子的重新裂解沉积有关. 通过低温氧化除去纤维表面的富碳层可以使纤维电阻率增大. 表面结构对连续SiC纤维的电阻率大小有重要影响.     

SiC/CNTs纳米复合材料吸波性能的研究

采用聚碳硅烷前驱体转化法制备了SiC/CNTs纳米复合材料, 采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、高分辨电子显微镜对样品进行了微观结构分析, 并测试了材料在2～18GHz频率范围内的电磁参数. 结果表明, 当初始聚碳硅烷/二甲苯溶液浓度为10%～15%时, 聚碳硅烷前驱体转化法在CNTs表面可以制备SiC包覆层均匀致密的复合一维纳米材料. SiC包覆CNTs一维纳米材料的电磁参数测试表明, 其损耗机制以介电损耗为主, 当聚碳硅烷含量为15%时, SiC/CNTs纳米复合材料具有最高的介电常数和损耗角, 较好的电磁波吸收特性, 并表现出复合效应.     

纳米碳化硅改善CPS/PAN相变复合纤维膜的传热速率

以不同质量比例的聚丙烯腈/纳米碳化硅(PAN/SiC)复合纤维膜为支撑材料,以癸酸-棕榈酸-硬脂酸(CPS)三元低共熔物为固-液相变材料,通过物理吸附法制备CPS/PAN/SiC定形相变复合纤维膜。分别采用扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)和传热测试装置研究不同含量纳米SiC对定形相变复合纤维膜的形貌特征、储热性能、热能储存和释放速率的影响。SEM图像显示负载不同含量纳米SiC对CPS/PAN/SiC定形相变复合纤维膜的形貌结构没有显著影响。DSC测试结果表明随着支撑纤维膜中SiC颗粒含量的增加,定形相变复合纤维膜的相变温度和相变焓值没有明显变化。根据传热测试数据显示随着纳米SiC含量的增加,定形相变复合纤维膜的融化与结晶时间显著缩短了约20%~46%。     

自由碳的脱除对SiC纤维微观结构和性能的影响

采用加氢烧成法脱碳, 制备了不同自由碳含量的连续SiC纤维。通过元素分析、红外、X射线衍射和拉伸试验等手段对纤维的脱碳过程、元素组成、微观结构和性能进行了分析。结果表明: 加氢烧成通过抑制脱H₂反应、促进脱CH₄反应而实现有效脱碳, 且氢气浓度越高, 纤维中的碳含量越低。纤维芯部元素分布均匀, 表明该方法可以实现均匀脱碳, 但表面出现很薄的富碳层, 这是纤维经氢气处理后表面吸附氧形成的富氧层在高温烧成时分解所致。自由碳的脱除引起纤维晶粒长大, 密度增加, 孔隙率降低, 电阻率升高, 拉伸强度与拉伸模量提高。近化学计量SiC纤维具有优异的综合性能。     

竹炭及SiC陶瓷材料的结构与性能

以毛竹、印度莉竹为原料，在氮气氛中炭化制得竹炭，然后于1450℃下采用熔融Si渗透技术制得SiC陶瓷材料。借助SEM、XRD、X射线能谱仪、TGA和万能力学试验机等测试手段对竹炭和SiC陶瓷材料的微观构造、物相构成、材料的微区成分、力学特性及竹材的热失重行为进行了分析。结果表明：竹炭及其SiC陶瓷材料都继承了竹材的各向异性和微观构造特征；竹基SiC陶瓷是一种包含单质Si、C和SiC多相成分的复合材料；由两种竹材制备的竹炭及其SiC材料在微观构造、相组成和抗压力学性能上表现出一定的差异性。