SiC基复合材料的发展现状及其应用.ppt

SiC基复合材料的发展现状及其应用 制作人：杜文献 姜少燕 王丽芸 SiC基复合材料简介 碳化硅作为一种具有优良特性的常用陶瓷材料,其高温强度及抗热震性能良好, 密度低、硬度高、耐磨损、热膨胀系数低及导热性好。,被认为是继 碳—碳 复合材料之后发展起来的新型战略材料,可大幅度提高现有武器装备和未来先进武器装各性能。但是, 断裂韧性低在一定程度上限制了该材料作为高温承力构件使用。向陶瓷材料中引入连续纤维增强体是提高材料断裂韧性最有效的方法之一。 碳化硅基复合材料显微结构特点 复合材料中纤维和基体的分布状态如图 1所示。从图中可以看出, 碳纤维束 (黑色衬度区域 )和碳化硅纤维束 (右上角圆形的灰色衬度区域 )并行排列, 纤维束旁 (左边 )是纤维束间基体聚集区域。这种结构的形成主要由纤维编织体中纤维的排布形式决定。纤维编织过程中碳纤维和碳化硅纤维合股成一束进行编织。编织体中纤维束交叉处将形成较大的孔隙结构。在 PIP致密化过程中第 1次循环采用含纳米 SiC浆料浸渍时, 将交叉处的孔隙填充, 形成基体聚集区。 图 3、4分别给出了抛光面上碳化硅纤维和碳纤维聚集区域的显微结构照片。可以看出, 在纤维束内存在部分气孔, 尤其在碳纤维束内。由于纤维堆积比较紧密 (采用的碳纤维每束的单丝纤维数量更多 ), PIP循环过程中无论是浆料还是 PCS溶液都难以完全浸渍到每个部位, 使得在纤维束内留下气孔。对比发现,在图 1、2中的基体区域, 几乎看不到明显的大气孔, 只有裂解时收缩产生的微裂纹在随后的 PIP过程中被填充, 形成条状的基体。  纤维增强陶瓷基复合材料常用的制备方法 包括化学气相沉积法 ( CVI)、有机前驱体浸渍裂解法 ( PIP)、热压烧结法 ( HP)、反应烧结法 ( RS)以及上述方法组成的复合方法 其中 CVI 法是常用的方法，用 CVI 制备的材料具有密度低，均匀性较差等特点，于是发展了 FCVI 法，FCVI 是一种较新的工艺，它具有得到的材料纯度较高，孔隙率降低等特点。材料所处的环境制约着其自身的性能，SiC 基复合材料有望在航空、航天、宇宙等环境下应用，因此，对 SiCf/SiC 性能的研究最近几年主要集中在 SiC 基复合材料的抗辐射性能，弯曲和断裂韧性，疲劳性能。 采用先驱体液相浸渍工艺制备的复合材料的断裂是典型的分层断裂; 而采用热压工艺制备的复合材料则是明显的脆断, 说明采用热压工艺的复合材料的层间结合比采用先驱体液相浸渍工艺的复合材料的层间结合强, 这种强结合导致复合材料基体断裂时纤维也随之断裂, 材料性能明显受制于基体的强度。 PIP 法的优点是可制备具有任何形状的复合材料, 并且可以获得优良的性能。其主要工艺过程是以纤维预制体为骨架, 真空条件下排出纤维预制体中的空气, 采用溶液或熔融的有机聚合物前驱体与陶瓷粉体配成的浆料浸渍, 在惰性气体保护下进行交联固化( 或晒干 ), 然后在惰性气氛中进行高温裂解; 重复浸渍 (交联 )裂解过程, 使材料致密化。 制备纤维增强碳化硅基复合材料 1 、原料 增强体主要为 H-i Nicalon 纤维, 其主要性能为:拉伸强度 2 800 MPa, 模量 300 GPa, 密度 2. 5 g/ cm3,直径 14 Lm; 先驱体聚碳硅烷( PCS) 由本校纤维研究室提供, 色泽淡黄, 软化点为 170e~ 180e, 陶瓷产率约 65%; SiC 微粉粒度 1 。 2、实验过程  首先, 将 SiC 微粉、PCS 和二甲苯以一定比例混合, 在玛瑙罐中球磨 24 h; 取出浆料倒入浸渍槽中,再将H-i Nicalon 纤维穿过浸渍槽, 以固定的速率缠绕成无纬布, 待浆料干燥后取下裁成 35 *30 mm大小, 叠层后以 175e, 15 MPa 的条件在金属模具中热模压成型制得复合材料坯体。将一部分坯体放入管式炉中裂解, 裂解条件为1 200e 下保温1 h; 将裂解后试样的表面擦干净, 用PCSB 二甲苯= 1B1( 质量比) 的溶液真空浸渍, 取出晾干后再裂解, 重复浸渍) 裂解4 次; 将另一部分坯体放入到石墨模具中采用热压法制备, 热压温度为1 800e 、热压压力为25 MPa、时间为 1 h、氩气保护。详细工艺路线见图 纤维类型对SiC基复合材料性能的影响 采用不同制备工艺制备的复合材料性能上有明显的差异。采用先驱体液相浸渍工艺制备的复合材料性能较好, 弯曲强度达到 703. 6 MPa, 断裂韧性达到23. 1 MPa。而采用热压工艺