碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料

碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料冶金一班17號—22號碳化硅陶瓷因具有高強度、高硬度、抗腐蝕、耐高溫和低密度而被廣泛用于高溫和某些苛刻的環(huán)境中,尤其在航空航天飛行器需要承受極高溫度的特殊部位具有很大的潛力。但是,陶瓷不具備像金屬那樣的塑性變形能力,在斷裂過程中除了產(chǎn)生新的斷裂外表吸收外表能以外,幾乎沒有其它吸收能量的機制,這就嚴重限制了其作為結(jié)構(gòu)材料的應用。碳纖維具有比強度高、比模量大、高溫力學性能和熱性能良好等優(yōu)點,在惰性氣氛中2000時仍能保持強度根本不下降。用碳纖維增強碳化硅復合材料,材料在斷裂的過程中通過纖維拔出、纖維橋聯(lián)、裂紋偏轉(zhuǎn)等增韌機制來消耗能量,使材料表現(xiàn)為非脆性斷裂。Cf/SiC復合材料綜合了碳纖維優(yōu)異的高溫性能和碳化硅基體高抗氧化性能,受到了世界各國的高度關注,并廣泛應用在航空、航天、光學系統(tǒng)、交通工具(剎車片、閥)等領域。碳纖維與基體間存在一系列界面問題:如界面潤濕性差,化學、物理相容性差等,極大地影響著復合材料的力學性能,且碳纖維未經(jīng)外表處理前,其活性比外表積小(一般小于1m2/g),外表能低,外表呈現(xiàn)出憎液性,限制了碳纖維高性能的發(fā)揮。為了提高碳纖維的外表化學活性,增強碳纖維外表與基體的結(jié)合能力,進而提高復合材料的性能,對碳纖維進行外表處理是很有必要的。目前,碳纖維外表改性處理主要有外表氧化處理、外表涂層處理、外表生長晶須等方法。在研究的諸多碳纖維外表處理方法中,空氣氧化法簡單,耗時少,但操作彈性小,氧化反響不易控制;液相氧化法主要是采用硝酸、酸性重鉻酸鉀、次氯酸鈉等強氧化性液體,對碳纖維外表進行處理,處理比較溫和,不過耗時較長;電化學氧化法簡單易操作,處理條件溫和并易于控制,處理效果明顯。外表涂層處理是對碳纖維外表沉積一層無定形碳來提高其界面粘結(jié)性能,多采用氣相沉積技術,操作較復雜,周期長。纖維增韌陶瓷基復合材料的性能取決于各組分的性能、比例以及纖維結(jié)構(gòu)。復合材料的顯微結(jié)構(gòu)在很大程度上取決于復合材料的制備工藝。目前,Cf/SiC復合材料的主要制備方法有:熱壓燒結(jié)法、先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法、化學氣相滲透法、反響熔體浸滲法和一些改進的綜合工藝。熱壓燒結(jié)法：讓纖維通過一個含有超細基體陶瓷粉末的料漿容器使之浸漬,然后將浸掛料漿的纖維纏繞在卷筒上,烘干、切斷,得到纖維無緯布,將無緯布按所需規(guī)格剪裁,層疊在一起,最后熱模壓成型和熱壓燒結(jié)后制得復合材料?；瘜W氣相滲透法：通過孔隙滲入到預制體內(nèi)部沉積。反響熔體浸滲法：是在高溫下真空環(huán)境中用熔融的Si對多孔C/C復合材料進行浸滲處理,使液態(tài)Si在毛細作用下滲入C/C多孔體中,并與C組分發(fā)生反響生成SiC基體。先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法又稱聚合物浸漬裂解法(precursorinfiltrationpyrolysis,PIP)是近年來開展的新工藝和新技術。它是將含Si的有機聚合物先驅(qū)體(如聚碳硅烷、聚甲基硅烷等)溶液或熔融體浸漬到碳纖維預制體中,枯燥固化后在惰性氣體保護下高溫裂解,得到SiC基體。目前性能較好、比較實用的PCS、聚硅氮烷、聚硅氧烷等幾種陶瓷先驅(qū)體大都有如下結(jié)構(gòu):(1)主鏈是—Si—M—Si—結(jié)構(gòu)(M是C、O、N等元素)。假設主鏈偏離熱解產(chǎn)物結(jié)構(gòu),在裂解過程中一定會經(jīng)歷重排生成—Si—M—Si—結(jié)構(gòu),而重排反響會伴隨大量氣體逸出,導致陶瓷產(chǎn)率較低;(2)支鏈上的非活性基團一般是較短的碳鏈基團,因為大局部非活性基團在裂解過程中會被脫除,僅有一小局部能進入到主鏈并保存下來。如果基團太長,裂解時會有較大失重,陶瓷產(chǎn)率降低;(3)支鏈上的活性基團主要是Si2H、N2H、C=C或C≡C,它們可通過多種方式交聯(lián)固化。因為Si2H較活潑,所以Si2H數(shù)量不宜過多,否那么先驅(qū)體穩(wěn)定性下降。裂解工藝：針對常壓裂解的缺乏,開展了對熱壓裂解和氣壓裂解的研究。熱壓可以顯著降低氣孔率,提高基體致密度,用熱壓法已制備出性能較高的單向Cf/SiC。添加填料:理論分析說明,不可能直接通過先驅(qū)體裂解制備無收縮陶瓷材料,添加填料那么可以。填料分為惰性和活性兩種。常見的惰性填料有SiC、Si3N4等。而且添加活性填料是降低氣孔率和收縮率的有效方法。優(yōu)點是可制備形狀比較復雜的異型構(gòu)件;裂解時溫度較低,材料制備過程中對纖維造成的熱損傷和機械損傷比較小。缺點是在裂解的過程中有大量的小分子溢出,導致孔隙率很高,難