熔融渗硅法制备C/C-SiC复合材料的研究进展

综述了熔融渗硅法制备C/C-SiC复合材料的国内外研究和应用现状,重点分析了碳纤维预制体和C/C多孔体的制备,以及熔融渗硅过程对C/C-SiC复合材料性能和结构的影响,介绍了C/C-SiC复合材料作为热结构和摩擦材料在航空航天和先进摩擦制动系统中的应用,提出了C/C-SiC复合材料制备过程中存在的问题和今后研究的重点.     

熔融硅液相浸渍法制备C/C-SiC复合材料

采用熔融硅液相浸渍法制备了C/C-SiC复合材料,反应生成的SiC主要分布在层间孔和束间孔碳基体表面,少量分布在束内孔.1600℃渗硅2 h,硅化深度约为2～4 μm.由于液态硅与碳之间的润湿性很好,在碳基体表面形成了连续的SiC层,局部有粗大的多面碳化硅颗粒生成;讨论了细晶粒连续SiC层和SiC粗晶粒形成机理.由于SiC的加入,材料的抗氧化性能得到明显改善.     

C/C-SiC复合材料的反应烧结法制备及应用进展

C/C-SiC复合材料具有轻质、高模、高热导率、低热膨胀系数、高温抗氧化等优异性能,是很好的高温结构材料。从C纤维的涂层保护、C/C多孔体的优化设计、反应烧结渗硅3个方面概述了C/C-SiC复合材料的反应烧结工艺制备过程;综述了C/C-SiC复合材料在航空航天、空间光学系统、刹车制动等领域的相关应用进展;展望了C/C-SiC复合材料制备工艺和应用方面的发展趋势。     

高温热处理对C/C-SiC复合材料制备与力学性能的影响

以针刺整体炭毡为坯体,采用树脂浸渍和化学气相沉积混合法制备C/C多孔体,然后熔硅浸渗制得C/C-S iC复合材料;研究了C/C多孔体的高温热处理对C/C-S iC复合材料密度、孔隙度、力学性能及断裂方式的影响。结果表明:炭涂层进行高温热处理可改变复合材料的弯曲断裂方式,使其具有一定的“假塑性”,弯曲强度下降约16%,压缩强度提高约20%,硬度增加;C/C多孔体的最终高温热处理可打开孔隙,有利于液S i的渗入,制备出密度较高(>2.0 g.cm-3)、开孔率较小(<4%)的复合材料,但导致其力学性能下降,基本上不影响其断裂方式。     

素坯密度对气相渗硅制备C/C-SiC复合材料结构与性能的影响

三维针刺碳毡经化学气相渗透(Chemical Vapor Infiltration,CVI)增密制备C/C素坯,通过气相渗硅(Gaseous Silicon Infiltration,GSI)制备C/C-SiC复合材料。研究素坯密度与CVI C层厚度及素坯孔隙率的变化规律,并分析素坯密度对C/C-SiC复合材料力学性能、热学性能的影响。结果表明:随着素坯密度增大,CVI C层变厚,孔隙率减小;C/C-SiC复合材料中残C量随之增大,残余Si量随之减小,SiC先保持较高含量(体积分数约40%),随后迅速降低,C/C-SiC复合材料密度逐渐减小,力学性能先增大后减小,而热导率及热膨胀系数降低至平稳。当素坯密度为1.085g/cm3时,复合材料力学性能最好,弯曲强度可达308.31MPa,断裂韧度为11.36MPa·m1/2。研究发现:素坯孔隙率较大时,渗硅通道足够,残余硅多,且CVI C层较薄,纤维硅蚀严重,C/C-SiC复合材料力学性能低;素坯孔隙率较小时,渗硅通道很快阻塞,Si和SiC含量少,而闭孔大且多,C/C-SiC复合材料力学性能也不高。     

C/C泡沫预制体液相硅浸渗制备C/SiC复合材料研究

以中间相沥青浸渍整体碳毡发泡技术制备的一种新型多孔C/C泡沫复合材料为预制体,通过液相硅浸渗(LSI)工艺制备了C/SiC复合材料,研究了预制体不同孔隙率对Si浸渗及C/SiC复合材料力学性能和微观形貌的影响,分析了复合材料的物相组成和晶体结构.结果表明,采用发泡技术可以快速有效地实现C/C预制体的致密化处理.预制体孔隙率为65.41%时液相硅浸渗处理后所得复合材料性能最好,密度为2.64g/cm3,弯曲强度为137MPa,弹性模量为150GPa.纤维未作表面抗硅化涂层处理以及复合材料中存在闭孔是C/SiC复合材料性能不佳的主要原因.     

金属基复合材料的自发浸渗制备工艺

综述了金属基复合材料的熔体自发浸渗制备工艺，概述了其基本原理与应用状况，讨论了工艺存在的相关问题。     

无压浸渗法制备Al/70vol%Sip复合材料

采用无压浸渗工艺,成功制备出Al/70vol%Sip复合材料,对Al-Si体系进行了自发浸渗的热力学及动力学分析,并分析了组织中残留微细孔隙的形成机理.研究表明:由于存在冶金润湿,在毛细压力作用下,Al合金液能较好浸渗Si多孔预制体,浸渗深度与时间成抛物线关系;采用饱和成分的Al合金浸渗,可有效抑制对Si预制体的溶解浸蚀;对复合材料浸渗组织观察表明,Si颗粒发生钝化,相邻颗粒融合连接,呈连续三维网状.     

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.     

硅含量对C/C-SiC复合材料性能的影响

以炭布、环氧树脂和硅粉为原料,采用温压-原位反应法制备了炭纤维增强的碳化硅复合材料(2D C/C-SiC),考察了硅粉含量对材料结构和性能的影响.实验结果表明:随着硅粉含量的增加, 材料的密度和石墨化度呈明显增加的趋势,材料的相对密度却逐渐减小,材料的弯曲强度呈现下降的趋势,但对剪切强度影响不大.在2100℃硅化处理后,材料的石墨化度由未添加硅时的21.7%增大为添加35%(质量分数,下同)时的45.2%,添加的硅与炭纤维和树脂炭反应后形成了SiC,沿炭纤维分布,材料中均不再含有自由的硅单质;当硅含量达到30%以上时,在纤维周围还有一些富碳的SiC颗粒存在.     

高性能制动系统用炭纤维增强炭和SiC双基体(C/C-SiC)复合材料

C/C-SiC制动材料具有密度低、耐高温、制动平稳、摩擦因数高、磨损少和环境适应性强等优点,是一种能满足高速高能载制动的高性能轻质材料。本文以针刺炭纤维整体毡为预制体,采用化学气相渗透法制备C/C多孔体,然后熔融渗硅制得C/C-SiC材料;研究了C/C-SiC材料的组织结构、力学性能及其失效模式、摩擦磨损性能及机理,同时介绍了中南大学研制的C/C-SiC制动材料的应用现状。     

C／C—SiC制动材料的研究进展

简要介绍了汽车制动材料的种类和各类材料的优缺点,指出C/C-SiC复合材料具有优良的摩擦性能,代表着当前制动材料的最高水平.主要论述了C/C-SiC制动材料的国内外研究进展、制备工艺以及未来的发展趋势.在制备工艺中,主要介绍了液相硅渗透法和温压一原位反应法两种短周期、低成本的工艺.认为采用短碳纤维模压工艺是以后大批量生产C/C-SiC制动材料最有前途的一种方法.     

化学液气相沉积C/C复合材料研究进展

化学液气相沉积技术是目前最快的C/C复合材料的制备工艺,它的致密化速度是传统等温化学气相沉积工艺的100倍.本文阐述化学液气相沉积工艺的优越性和用于制备C/C复合材料的工艺原理;讨论化学液气相沉积热解炭的微观组织结构和工艺的计算机数值模拟的研究进展,最后展望化学液气相致密化技术的发展和应用前景.     

C/C-SiC复合材料表面ZrB_2基陶瓷涂层的制备及高温烧结机理

采用刷涂-烧结法,分别在C/C-SiC复合材料和C/C复合材料表面制备了ZrB2基陶瓷复合涂层。利用EDS,SEM分析陶瓷涂层的成分及微观形貌,通过对比C/C-SiC基体和C/C基体的表面涂层,对C/C-SiC基体表面涂层的高温烧结机理进行了探究。结果表明:高温下C/C-SiC基体中的硅组元会溢出,造成样品质量损失;同时,溢出的硅组元能渗入到陶瓷涂层中,形成了以硅为主要黏结相,ZrB2等陶瓷相弥散分布的陶瓷涂层;与C/C基体相比,硅组元的溢出能有效促进涂层与基体之间的界面结合。在对基体进行预处理的基础上,采用低温真空脱胶,高温常压烧结,能够制备出结构致密、无裂纹并与基体结合牢固的ZrB2基陶瓷涂层。     

CVI-GSI工艺制备C/C-SiC复合材料的组成结构与力学性能

采用密度为1.0g/cm~3的C/C素坯,联合化学气相渗透(CVI)和气相渗硅(GSI)2种工艺制备C/C-SiC复合材料,研究CVI C/C-SiC复合材料中间体的密度对CVI-GSI C/C-SiC复合材料物相组成、微观结构及力学性能的影响。结果表明:随着CVI C/C-SiC复合材料中间体密度的增大,CVI-GSI C/C-SiC复合材料C含量增多,残余Si含量减少,SiC含量先增多后减少,CVI-GSI C/C-SiC复合材料的密度先增大后减小;随着CVI C/C-SiC复合材料中间体的密度由1.27g/cm~3增加到1.63g/cm~3时,得到的CVI-GSI C/C-SiC复合材料的力学性能先升高后降低。当CVI C/C-SiC复合材料密度为1.42g/cm~3时,制得的CVI-GSI C/C-SiC复合材料力学性能最好,其弯曲强度为247.50MPa,弯曲模量为25.63GPa,断裂韧度为10.08MPa·m~(1/2)。     

(C-SiC)f/C复合材料的烧蚀性能

将SiC纤维毡与C纤维毡交替层叠, 通过针刺工艺制备(C-SiC)_f/C预制体, 采用化学气相渗透与前驱体浸渍裂解复合工艺(CVI+PIP)制备(C-SiC)_f/C复合材料, 研究(C-SiC)_f/C复合材料H₂-O₂焰烧蚀性能。利用SEM、EDS和XRD对烧蚀前后材料的微观结构和物相组成进行分析, 探讨材料抗烧蚀机理。结果表明: (C-SiC)_f/C复合材料表现出更优异的耐烧蚀性能。烧蚀750 s后, (C-SiC)_f/C复合材料的线烧蚀率为1.88 μm/s, 质量烧蚀率为2.16 mg/s。与C/C复合材料相比, 其线烧蚀率降低了64.5%, 质量烧蚀率降低了73.5%; SiC纤维毡在烧蚀中心区表面形成的网络状保护膜可以有效抵御高温热流对材料的破坏; 在烧蚀过渡区和烧蚀边缘区形成的熔融SiO₂能够弥合材料的裂纹、孔洞等缺陷, 阻挡氧化性气氛进入材料内部, 使材料表现出优异的抗烧蚀性能。     

C/C-SiC复合材料高温防护研究进展

C/C-SiC复合材料具有高比强度、高比模量、高热导率、低热膨胀系数和优异的高温抗氧化性能等特点,是新一代的耐高温陶瓷基复合材料,已经被广泛地用作热结构和热防护材料、制动材料以及空间光学系统零部件等。近年来,随着高超声速飞行器和返回式航天运输工具的快速发展,飞行器面临着更多的有高热流、高压气流以及高速粒子冲蚀的环境,这对C/C-SiC复合材料的高温防护技术提出了更高的要求。C/C-SiC复合材料高温防护的研究主要集中在纤维涂层改性、基体改性和高温防护涂层等3个方面,综合近几年国内外的研究报道,从上述3个方面综述了C/C-SiC复合材料高温防护技术的研究进展,总结了各种高温防护技术的制备方法,比较了3种高温防护技术的特点,最后对C/C-SiC复合材料高温防护技术的发展趋势提出了一些见解。