Cf-SiCnw-Al復(fù)合材料的制備及性能表征.pdf

1、本研究采用燒結(jié)法在碳纖維表面上原位自生出 SiC納米線，并使用外加涂覆納米線的方法，制備出兩種碳纖維-SiC納米線的復(fù)合預(yù)制塊，并采用擠壓鑄造法其制備成Cf-SiCnw/Al復(fù)合材料。
　　對原位自生的納米線以及外加的納米線進(jìn)行了掃描電子顯微鏡（SEM）、X-射線衍射分析（XRD）、傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、拉曼光譜（Roman）、透射電子顯微鏡（TEM）以及能譜儀（EDS）等多種分析手段對SiC納米線的形貌、物相以及結(jié)構(gòu)

2、進(jìn)行了表征。分析了不同的生長溫度對合成納米線過程的影響，并從熱力學(xué)的理論出發(fā)，研究了SiC納米線合成過程以及合成的機(jī)理。觀察制備出的Cf-SiCnw/Al復(fù)合材料的金相組織以及SEM形貌圖，并對其進(jìn)行了層間剪切強(qiáng)度以及三點彎曲強(qiáng)度測試，觀察了斷口形貌，分析引入SiCnw后對Cf/Al復(fù)合材料性能的影響。
　　結(jié)果表明，1100℃以下，通過燒結(jié)法難以生成SiC納米線；1100～1200℃溫度區(qū)間內(nèi)，通過燒結(jié)法能夠在碳纖維表面原位自生

3、出 SiC納米線，但是浸漬的漿料中的混合粉體難以反應(yīng)完全，殘留在纖維表面；1200～1300℃區(qū)間內(nèi)，可以在碳纖維表面均勻地生長SiC納米線；當(dāng)溫度達(dá)到1300℃時，SiC納米線上出現(xiàn)“液滴”的痕跡，而且開始相互連結(jié)，并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分析為是副產(chǎn)物SiO2生成過多所致。原位自生納米線與外加納米線均屬于β-SiC。其中原位自生納米線直徑為40～100nm，長徑比非常大，主要呈彎曲生長形態(tài)；而外加納米線直徑約為100～600nm，長徑比10

4、0～200，形態(tài)有直棒狀、竹節(jié)狀以及鏈珠狀。兩種納米線外圍均包覆有SiO2非晶層，通過進(jìn)一步的分析表明，外加的納米線非晶氧化層很薄，而原位自生的納米線非晶氧化層很厚，約為20nm。
　　SiC納米線的生長屬于典型的沒有催化劑的VLS機(jī)制，氧氣的存在對該反應(yīng)過程非常重要。SiC納米線的生長可主要分為4個階段，前期準(zhǔn)備階段、納米線形核階段、納米線生長階段、降溫階段。納米線的生長主要是通過反應(yīng)3SiO(g)+CO(g)→SiC(s)+2

5、SiO2(s)來實現(xiàn)。而在降溫階段，SiC優(yōu)先凝固，SiO2在納米線的表面或相互靠近的節(jié)點凝固，從而使得SiC納米線的表面有非晶層。
　　對制備的Cf-SiCnw/Al復(fù)合材料力學(xué)性能測試表明，在引入納米線后材料的層間剪切強(qiáng)度均有所上升。觀察斷口，可以將其分為3個區(qū)域，即纖維裸露區(qū)、富鋁區(qū)以及纖維斷裂區(qū)。從并聯(lián)模型考慮，整體的剪切強(qiáng)度即為這3個部分剪切強(qiáng)度之和，也就是說Cf/Al和Cf-SiCnw/Al的剪切強(qiáng)度滿足公式：τ=Ai

6、τi+Afτf+Amτm。從這個模型出發(fā)可以解釋兩種Cf-SiCnw/Al復(fù)合材料層間強(qiáng)度的增強(qiáng)機(jī)制。其中層間強(qiáng)度最高達(dá)到了76MPa，比Cf/Al提高了38％。
　　Cf-SiCnw/Al復(fù)合材料的三點彎曲強(qiáng)度相對于Cf/Al均有所提高，最高可達(dá)到300MPa，比 Cf/Al提高了44%。建立層間剪切強(qiáng)度-彎曲強(qiáng)度的關(guān)系圖可以看出，Cf-SiCnw/Al的層間剪切強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度有著一定的關(guān)系：當(dāng)層間剪切強(qiáng)度過小時，斷口上纖維脫粘

7、，裂紋橫向傳播。此條件下纖維沒有很好地起到增強(qiáng)體的作用，彎曲強(qiáng)度較低；當(dāng)層間剪切強(qiáng)度過大時，試樣斷口為平齊斷口，裂紋垂直纖維鋪層的方向縱向傳播，在尖端應(yīng)力下纖維迅速斷裂。纖維也沒有完全發(fā)揮出它的強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度較低；當(dāng)層間剪切強(qiáng)度適中時，斷口上有大量的纖維拔出，裂紋一邊沿著纖維縱向傳播，一邊可以沿著材料的層間傳播。既有效利用了纖維的高強(qiáng)度，同時橫向傳播可以有效地緩解材料局部的應(yīng)力集中，使材料內(nèi)每根纖維承載均勻，充分發(fā)揮出纖維的強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)