碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料.ppt

1、碳纖維增強SiC陶瓷基復合材料,概括,結構 性能,制備工藝,應用,展望,碳纖維增強SiC陶瓷基復合材料,概括,結構 性能,制備工藝,應用,展望,一、概括,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生新的斷裂表面吸收表面能以外，幾乎沒有其它吸收能量的機制，這就嚴重限制了其作為結構材料的應用。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時仍能保持強度基本不下降。用碳纖維增強碳化硅復合材料，材料

2、在斷裂的過程中通過纖維拔出、纖維橋聯、裂紋偏轉等增韌機制來消耗能量，使材料表現為非脆性斷裂。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、交通工具等領域。,二、結構和性能,結構：CfSiC復合材料是以碳纖維為增強纖維、SiC為陶瓷基體，通過某種制備工藝復合起來的一種纖維增強陶瓷基復合材料。,A,特點：比強度高輕質高強 比模量高剛性好 耐疲勞 熱膨脹系數小 尺寸穩(wěn)定 真空環(huán)境中顯示出優(yōu)異的特性,B,三、制備工藝,纖維增強陶瓷基復合材料的性能取決于各組分的性能、比例以及纖維結構。復合材料的顯微結構在很大程度上取決

3、于復合材料的制備工藝。根據實際應用領域的需求以及CfSiC復合材料的性能需求的不同，已開發(fā)出以下幾種制備工藝：化學氣相滲透法(CVI)、先驅體轉化法(PIP)、漿料浸漬燒結法、液相硅浸漬法(LSI)和一些綜合的制備工藝。,化學氣相滲透法(CVI)是在化學氣相沉積(CVD)的基礎上開發(fā)的。主要制備流程為：先將碳纖維預制體置于密閉的反應室內，在高溫下采用蒸氣滲透法，將反應氣體滲入到預制體內部或表面產生化學反應，生成陶瓷基體。對于CfSiC復合材料的CVI制備工藝常以三氯甲基硅烷(MTS)、四甲基硅烷(TMS)等反應氣體為原料，H2為載氣，Ar為稀釋氣體，高溫下抽真空在碳纖維預制體上沉積SiC陶瓷基

4、體。 優(yōu)點：纖維與基體材料之間不會發(fā)生高溫化學反應，內部的殘余應力小，對纖維本身損傷較小，保證了復合材料結構的完整性；能制備形狀復雜、纖維體積分數大的CfSiC復合材料。 缺點：隨著滲透的進行，纖維預制體內孔隙變小，滲透速度變慢，導致生產周期較長，且設備復雜，制備成本高；制成品孔隙率大，材料致密度低，從而影響復合材料的性能 改善：均熱法、熱梯度法、等溫強制流動等工藝,,1?；瘜W氣相滲透法(CVI),先驅體轉化法(PIP)是近年來發(fā)展迅速的一種制備CfSiC復合材料的制備工藝，由于成型工藝簡單、制備溫度較低等特點而受到關注。該方法是利用有機先驅體在高溫下裂解進而

5、轉化為無機陶瓷基體?；玖鞒虨椋簩⒑琒i的有機聚合物先驅體(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，干燥固化后在惰性氣體保護下高溫裂解，得到SiC陶瓷基體，并通過多次浸漬裂解處理后可獲得致密度較高的CfSiC復合材料。 優(yōu)點：在聚合物中浸漬，能得到組成均勻的陶瓷基體，具有較高的陶瓷轉化率；預制件中沒有基體粉末，因而碳纖維不會受到機械損傷。裂解溫度較低，無壓燒成，因而可減輕纖維的損傷和纖維與基體間的化學反應。 缺點：致密周期較長，制品的孔隙率較高，對材料蠕變性能有一定影響；基體密度在裂解前后相差很大，致使基體的體積收縮很大(可達5070)，因此需要多次循環(huán)才能達到致密化。,2

6、、先驅體轉化法(PIP),漿料浸漬燒結法是制備CfSiC復合材料的傳統方法(一般溫度在1300以下)，也是最早用于制備CfSiC復合材料的方法。其主要工藝過程如下：將SiC粉末、燒結助劑粉末和有機粘結劑用溶劑制成漿料，浸漬碳纖維制成無緯布，經切片、疊加、熱模壓成型和熱壓燒結后制得CfSiC復合材料。 優(yōu)點：基體軟化溫度較低，可使熱壓溫度接近或低于陶瓷軟化溫度。適用于制備單層或疊層構件，致密度較高且缺陷少。 缺點：SiC陶瓷基體的燒結溫度一般在1800以上（添加加燒結助劑，常見的有TiB2、TiC、B、BN等）。,3、漿料浸漬燒結法,4、液相硅浸漬法(LSI),液相硅浸漬法是通過Si+C反應燒結

7、生成，也稱反應熔體浸滲法主要工藝流程如下：純固體硅于1700左右熔融成液態(tài)硅，通過CC復合材料中大量分布的氣孔，利用毛細作用原理滲透到預制體內部并與C發(fā)生反應生成SiC陶瓷基體。 優(yōu)點：工藝時間短，成本低。同時還可以制備大尺寸、復雜的薄壁結構組件。 缺點：制備CfSiC復合材料時，由于熔融Si與基體C發(fā)生反應的過程中，不可避免地會與碳纖維發(fā)生反應，纖維被浸蝕導致復合材料性能下降。（只能制得一維或二維的CfSiC復合材料，應用前景不大）,5、綜合工藝,eg：CVI+PIP新型綜合制備工藝 先通過CVI工藝沉積出高強度、高密度、均勻性好、結構致密的SiC基體，由于沉積會優(yōu)先在纖維束內纖維間隙進行，

8、纖維束間仍有均勻的空隙可供先驅體聚合物液相反應繼續(xù)填充；再經過浸漬一裂解后得到均勻性好、密度和力學性能高的CfSiC復合材料。 優(yōu)點：周期縮短50%同時還繼承CVI工藝和PIP工藝可制備任意復雜形狀制品、易于工業(yè)化生產的優(yōu)點，是一種具有工業(yè)化應用前景的方法。,1. Cf/SiC復合材料的界面,位置：碳纖維與SiC陶瓷基體結合處，作為纖維與基體間傳遞載荷的過渡區(qū)。 1.1 界面結合強度 強到足以傳遞軸向載荷并具有高的橫向強度 弱到足以沿界面發(fā)生橫向裂紋及裂紋偏轉直到纖維的拔出,Cf/SiC復合材料的界面及強韌化機制,化學結合（互擴散結合）：,12 界面結合形式,物理結合： 主要是指范德華力和氫鍵

9、，還與纖維的比表面和粗糙度有關。 碳纖維與SiC基體間熱膨脹系數不同而產生的殘余熱應力。 如何解決纖維與基體之間熱膨脹系數不同？,Si原子向纖維內部的擴散 改善：在碳纖維表面制備氧化涂層（纖維表面涂覆氮化硼(BN)、富碳SiC、SiC、硼(B)等涂層）,B,調整SiC基體的熱膨脹系數使其與碳纖維的熱膨脹系數相近，可以通過調整SiC陶瓷基體晶型或控制其晶化程度和最終相組成而控制其熱膨脹系數。,A,在界面處人為的引入中間過渡層，形成較好的熱膨脹系數匹配，這樣在樣品在冷卻過程中就不會形成較大的熱內應力；,1.3 界面作用,應力緩釋作用,阻止裂紋向碳纖維內部擴展，提升CfSiC復合材料的強度和韌性,2

10、. CfSiC復合材料的增韌機制,Cf/SiCC復合材料斷裂時吸能機制,碳纖維,拔出,橋聯,脫粘,斷裂,SiC基體,裂紋彎曲,裂紋偏轉,提高韌性,(1) 纖維增韌SiC陶瓷,增韌機理：主要是纖維的拉 伸和橋聯作用。,（2）相變增韌SiC陶瓷 增韌機理：裂紋尖端的應力場引起的體積膨脹和斷裂表面吸收能量、相變誘發(fā)的殘 余壓應力、防止裂紋的增長使他們轉動和分叉、相變誘發(fā)微裂紋和晶粒細化等。,1、航空燃氣渦輪發(fā)動機的應用 由于碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料高強度、良好的抗氧化能力和抗熱震性，現在經常用它做高溫結構材料。 主要是應用在渦輪發(fā)動機的消耗管道、渦輪泵旋轉體、噴管等 2005年由中南大學黃伯云

11、院士等研制成功的碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料飛機剎車片結束了國家技術發(fā)明一等獎連續(xù)六年空缺的歷史。,四、應用,根據碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料耐熱、耐高溫、密度低的特點可以用來制造防熱體系。,熱結構材料的構件:航天飛機和導彈的鼻錐、導翼，機翼和蓋板等,熱保護系統的應用,01,02,高溫連接件的應用 主要應用于連接固定熱的外表面和航空框架結構中制冷的襯墊，及用作密封裝置。已經被制成螺釘和其他連接件。,LOGO,光學和光機械結構中的應用 已經用于制造超輕反射鏡、微波屏蔽反射鏡等光學結構部件及光學系統中的結構材料及反射鏡支撐體系，如反射鏡底座。,此外碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料還用于高速飛行器和高速汽車、火車上的剎車系統。超高音速飛行器中，在原子能反應堆中可用做核燃料的包封材料，還可用作火箭尾噴管的噴嘴及飛機駕駛員防彈用品等領域。,6.展望,現有的制備工藝成本高、生產周期長，需要發(fā)展更好制備工藝來降低生產成本，因此，如何開發(fā)出新工藝方法或優(yōu)化現有工藝方法以縮短制備周期，降低生產成本是CfSiC復合材料制備過程中研究的重點； 目前，碳纖維預制體的編織技術落后成為制約CfSiC復合材料發(fā)展的一大難點，今后應重視發(fā)展碳纖維預制體的理論設計，優(yōu)化CfSiC復合材料制備工藝；