陶瓷基体复合材料讲义.ppt

1）碳纤维的选择 通常使用加捻、有涂层的连续碳纤维纱。 用作结构材料时选择高强度和高模量的碳纤维。要求热导率低时，选择低模量的碳纤维。 总之，应该从价格、预制体纺织形态、性能以及稳定性等多方面因素选择碳纤维。 2）碳纤维编制结构设计 按照增强方式可分为单向纤维增强、二维织物或多向织物增强 单向和二维大多是将碳纤维、碳纤维平面编织物或碳毡等预先浸渍高碳化的沥青或树脂，形成预浸片，按设计要求搭层或铺层、再进行二次固化获得预成型体 单向增强可以在一个方向上获得高拉伸强度的碳/碳复合材料 纤维层 基体 多层纤维按不同角度方向层压示意图 纤维层 基体 纤维布层压复合材料示意图 两向编织物有平纹和缎纹两种。编织物的性能决定于相邻两股纱的间距、纱的尺寸、每个方向上纱的百分含量、纱的填充效率以及编制图案的复杂性 。 两向碳/碳复合材料在平行于布层的方向上拉伸强度比石墨纤维高，并且提高了抗热应力性能和断裂韧性，容易制造大尺寸形状复杂的部件。缺点是垂直于布层方向上的拉伸强度较低，层间剪切强度低，易产生分层。 2）碳纤维编制结构设计 平纹、斜纹、缎纹 多向编织技术能够对载荷进行设计，保证复合材料中纤维的正确排列方向以及每个方向上纤维的含量。 最简单的多向编制是三向正交结构。纤维按照三维直角坐标轴x、y、z排列，形成直角块状预制体。 三向正交结构的基础上，编制四、五、七和十一向增强的预制体 制造多向预制体的方法有：干纱编织、织物缝制、预固化纱的编排、纤维缠绕以及上述方法的组合。 X Y Z 三维C/C编制结构 多维编织的碳碳复合材料预成型体结构 (b) 5维结构 2、预制体与基体的复合 液态热浸渍分解法 化学气相沉积法 1）液态热浸渍分解法 将先驱体浸入预制体，然后固化、高温下（650～1100℃）碳化或直接碳化，碳化后还要在更高的温度（2600～2750℃）进行石墨化和抗氧化处理。 常见的前驱体有热固性树脂和沥青两类，热固性树脂常用酚醛树脂和呋喃树脂，沥青中常用煤焦油沥青和石油沥青。 树脂浸渍、固化、碳化体积收缩示意图 选择先驱体时要考虑液体的粘度、碳收获率、碳的微观结构和晶体结构。这些都与制备过程中的压力、温度、时间有一定的关系。 热固性树脂热解转化为碳，其质量转化率为50～56％。酚醛树脂的收缩率为20％，但收缩率对多向预制体的影响要小于两向结构 沥青是热塑性的，软化点低（400℃），粘度低，产碳率高。沥青作为先驱体不需要固化，直接热解。常压下沥青的产碳率为50％左右 。10MPa氮压和550℃下产碳率为90％ 树脂浸渍法程序：酚醛树脂 ? 制备溶液 ?（真空）浸渍预成型体 ?预固化 ? 碳化（树脂体积收缩）? 再浸渍 ? 固化 ? 碳化? ··· ? 致密化。 浸渍温度为50℃左右。有时也施加一定的压力3～5Mpa 酚醛树脂的固化压力为1Mpa，固化温度140～170℃，保温2h 在氮气或氩气保护下进行碳化，温度为650～1100℃ 沥青浸渍工艺 先进行真空浸渍，250℃然后加压浸渍。600～700℃加压碳化 浸渍－热处理需要多次循环多次，直到得到一定密度的复合材料。 沥青碳化率随沥青中高分子量化合物的增加而增加；随着碳化时压力的增加，沥青的碳化率有明显的提高。 压力沥青浸渍 – 碳化工艺（PIC）热等静压浸渍预制体，温度650～700℃，压力7～100Mpa。 2)化学气相渗透法（CVI） 将碳氢化合物，如甲烷、丙烷、天然气等通入预制体，并使其分解，析出碳沉积在预制体中。有以下几种方法： 等温法 温度不能太高，碳的扩散速度低于沉积速度。碳基体性能均匀，可批量生产，但时间长，容易产生裂纹 温度梯度法 接近预制体外表面温度最高，碳的沉积径向发展。沉积速度快，周期短，效率较低 差压法 碳氢化合物在正压下导入预制体，在预制体壁两边产生压差，使气体流过间隙。 扩散与沉积速度对空隙封闭影响 CVI法缺点：沉积碳容易阻塞预制体上面的间隙，容易在基体内部形成密封的小孔，随后长大成较大的空隙，降低复合材料的密度。周期长。补救方法是与液体浸渍法联合应用。 目前常用的是SiC，Si3N4，Al2O3晶须，常用的基体则为Al2O3，ZrO2，SiO2，Si3N4及莫来石等。晶须增韧陶瓷基复合材料的性能与基体和晶须的选择，晶须的含量及分布等因素有关。 SiCw含量（vol%） 维氏硬度HV(GPa) 弹性模量E(GPa) SiCw含量（vol%） 弯曲强度?f(MPa) SiCw含量（vol%） 断裂韧性KIC(MPa.m1/2) Al2O3+ SiCw复合材