碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料

2016-12-25

碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料
碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合 材料

冶金一班 17号—22号

碳化硅陶瓷因具有高强度、高硬度、抗腐蚀、耐高温和低密度 而被广泛用于高温和某些苛刻的环境中, 尤其在航空航天飞行器需 要承受极高温度的特殊部位具有很大的潜力。

碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料

但是, 陶瓷不具备像 金属那样的塑性变形能力, 在断裂过程中除了产生新的断裂表面吸 收表面能以外, 几乎没有其它吸收能量的机制, 这就严重限制了其作 为结构材料的应用。

碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料

碳纤维具有比强度高、比模量大、高温力学性 能和热性能良好等优点, 在惰性气氛中2000 时仍能保持强度基本不 下降。用碳纤维增强碳化硅复合材料, 材料在断裂的过程中通过纤 维拔出、纤维桥联、裂纹偏转等增韧机制来消耗能量, 使材料表现 为非脆性断裂。

碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料

Cf /S iC复合材料综合了碳纤维优异的高温性能和 碳化硅基体高抗氧化性能, 受到了世界各国的高度关注, 并广泛应用 在航空、航天、光学系统、交通工具(刹车片、阀)等领域。

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碳纤维与基体间存在一系列界面问题: 如界面润湿性差, 化学、 物理相容性差等, 极大地影响着复合材料的力学性能, 且碳纤维未 经表面处理前, 其活性比表面积小(一般小于1 m2 /g ), 表面能低, 表面呈现出憎液性, 限制了碳纤维高性能的发挥。

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为了提高碳纤维 的表面化学活性, 增强碳纤维表面与基体的结合能力, 进而提高复 合材料的性能, 对碳纤维进行表面处理是很有必要的。

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目前, 碳纤维表面改性处理主要有表面氧化处理、表面涂层 处理、表面生长晶须等方法。在研究的诸多碳纤维表面处理方法中, 空气氧化法简单, 耗时少, 但操作弹性小, 氧化反应不易控制; 液相氧 化法主要是采用硝酸、酸性重铬酸钾、次氯酸钠等强氧化性液体, 对碳纤维表面进行处理, 处理比较温和, 不过耗时较长; 电化学氧化 法简单易操作, 处理条件温和并易于控制, 处理效果明显。

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表面涂层 处理是对碳纤维表面沉积一层无定形碳来提高其界面粘结性能, 多 采用气相沉积技术, 操作较复杂, 周期长。

纤维增韧陶瓷基复合材料的性能取决于各组分的性能、比例以 及纤维结构。

复合材料的显微结构在很大程度上取决于复合材料的 制备工艺。目前, Cf /S iC复合材料的主要制备方法有: 热压烧结法、 先驱体转化法、化学气相渗透法、反应熔体浸渗法和一些改进的综 合工艺。

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热压烧结法:让纤维通过一个含有超细基体陶瓷粉末的料浆容 器使之浸渍, 然后将浸挂料浆的纤维缠绕在卷筒上, 烘干、切断, 得 到纤维无纬布, 将无纬布按所需规格剪裁, 层叠在一起, 最后热模压 成型和热压烧结后制得复合材料。

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化学气相渗透法:通过孔隙渗入到预制体内部沉积。 反应熔体浸渗法:是在高温下真空环境中用熔融的S i对多孔C /C 复合材料进行浸渗处理, 使液态S i在毛细作用下渗入C /C多孔体 中, 并与C组分发生反应生成S iC 基体。

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先驱体转化法又称聚合物浸渍裂解法( precursor infiltration pyro lysis, PIP)是近年来发展的新工艺和新技术。

它是将含S i的有 机聚合物先驱体(如聚碳硅烷、聚甲基硅烷等)溶液或熔融体浸渍到 碳纤维预制体中, 干燥固化后在惰性气体保护下高温裂解, 得到S iC 基体。

目前性能较好、比较实用的PCS、聚硅氮烷、聚硅氧烷等几种陶瓷 先驱体大都有如下结构: (1) 主链是—Si —M—Si —结构(M 是C、O、N 等元素) 。若主链偏 离热解产物结构,在裂解过程中一定会经历重排生成—Si —M— Si —结构,而重排反应会伴随大量气体逸出,导致陶瓷产率较低; (2) 支链上的非活性基团一般是较短的碳链基团,因为大部分非活性 基团在裂解过程中会被脱除,仅有一小部分能进入到主链并保留下来。

如果基团太长,裂解时会有较大失重,陶瓷产率降低; (3) 支链上的活性基团主要是Si2H、N2H、C = C或C ≡C ,它们可通 过多种方式交联固化。因为Si2H较活泼,所以Si2H 数量不宜过多,否 则先驱体稳定性下降。



裂解工艺:针对常压裂解的不足,开展了对热压裂解和气压裂解 的研究。热压可以显著降低气孔率,提高基体致密度 ,用热压法已制 备出性能较高的单向Cf / SiC 。

添加填料:理论分析表明,不可能直接通过先驱体裂解制备无收 缩陶瓷材料,添加填料则可以。填料分为惰性和活性两种。常见的惰 性填料有SiC、Si3N4 等。而且添加活性填料是降低气孔率和收缩 率的有效办法。



优点是可制备形状比较复杂的异型构件; 裂解时温度较低, 材 料制备过程中对纤维造成的热损伤和机械损伤比较小。 缺点是在裂解的过程中有大量的小分子溢出, 导致孔隙率很高, 难以获得致密的陶瓷基复合材料; 且从有机先驱体转化为无机陶瓷 过程中材料体积收缩大, 收缩产生的微裂纹与内应力均使材料性能 降低。

另外, 为了获得致密度较高的复合材料, 必须经过多次浸渗和 高温处理, 制备周期长。


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