氣相滲硅制備三維針刺C-C-SiC復合材料工藝與性能研究.pdf

1、C/C-SiC復合材料具有高比強、高比模、高熱導率、低熱膨脹性能以及優(yōu)良的摩擦磨損性能，在航天熱結構件、空間光機結構件和高性能剎車裝置等領域受到廣泛的應用和關注。GSI（氣相滲硅，Gaseous Silicon Infiltration）作為新近發(fā)展起來的制備C/C-SiC復合材料的新方法，具有制備周期短、成本低、致密性好等優(yōu)點。相比于研究較多的LSI（液相滲硅，LiquidSilicon Infiltration），GSI工藝滲透深度

2、更深，且反應溫和，易于控制，制品殘留硅少，有望制備出性價比更高的C/C-SiC復合材料，但是目前的研究相對較少。此外，在GSI制備C/C-SiC復合材料中，對于CVI C/C素坯密度、纖維體積分數(shù)以及不同先驅(qū)體裂解C/C素坯對制備的C/C-SiC復合材料結構與性能的影響研究還不系統(tǒng)，不利于面向不同應用時的選材需要，有待對材料的性能數(shù)據(jù)庫進一步完善，因此本文展開了GSI工藝對制備三維針刺C/C-SiC復合材料工藝與性能的研究。
　　

3、研究了CVI C/C素坯密度以及纖維體積分數(shù)對GSI制備C/C-SiC復合材料物相組成、微觀結構以及性能的影響。對于纖維體積為30vol.％的CVI C/C素坯，素坯密度在0.822g/cm3～1.363g/cm3間，隨著CVI C/C素坯密度提高，即CVI C層厚度增加，C/C-SiC復合材料的力學性能先增高后減小。當CVI C/C素坯密度為1.085g/cm3時，材料的彎曲強度、模量以及斷裂韌性最高，分別為308.31MPa、31.

4、71GPa和11.36MPa·m1/2。CVI C/C素坯密度過小時，GSI過程中纖維硅蝕嚴重，嚴重影響了C/C-SiC復合材料的力學性能，如當素坯密度為0.822g/cm3時，C/C-SiC復合材料的含碳量僅為18vol.%，大量纖維與硅反應，彎曲強度、模量及斷裂韌性僅為70.2MPa、14.1GPa及3.4MPa·m1/2；但是CVI C/C素坯密度過大時，GSI過程中滲硅通道很容易阻塞，硅、碳反應不充分，使得GSI制備的C/C-S

5、iC復合材料閉孔顯著增多，力學性能也會明顯降低，如當素坯密度為1.363g/cm3時，C/C-SiC復合材料的閉孔率高達10.7vol.%，彎曲強度、模量及斷裂韌性為119MPa、16.1GPa及4.4MPa·m1/2。此外材料的熱導率以及熱膨脹性能均隨素坯密度的增大而減小。
　　當CVI C/C素坯密度均約在1.0g/cm3～1.1g/cm3范圍時，纖維體積分數(shù)在10vol.%～30vol.%間，隨著纖維體積分數(shù)的增大，材料的力

6、學性能隨之提高，而熱導率和熱膨脹系數(shù)差別不大。當纖維體積分數(shù)為10vol.%時，由于纖維對復合材料的增韌補強作用小，導致力學性能最低，彎曲強度、模量及斷裂韌性分別為154.7MPa、14.6GPa及5.7MPa·m1/2，而熱導率和熱膨脹系數(shù)均最高，分別為31.857W/(mK)和4.475310-6/K。此外研究發(fā)現(xiàn)材料的SiC形貌包括C-SiC界面的納米級SiC晶粒和遠離碳源的SiC-Si界面的微米級SiC顆粒，材料內(nèi)部的閉孔包括纖

7、維束內(nèi)部的小孔和胎網(wǎng)層間的大孔，而GSI過程中整個Si、C反應層厚度約為5μm。
　　為了進一步快速低成本制備C/C素坯，并保護碳纖維，研究了裂解C/C素坯中CVD C涂層厚度對GSI制備C/C-SiC復合材料力學性能的影響。從中可以發(fā)現(xiàn)當CVD C涂層較?。s200nm）時，纖維硅蝕嚴重，而當CVD C涂層過厚（約2μm）時，裂解C/C素坯密度過高，不利于GSI反應。結果表明對于纖維體積分數(shù)為30vol.%的三維針刺氈，當CVD

8、 C涂層厚度約為1μm，裂解C/C素坯密度約為1.1g/cm3時更利于GSI反應，得到的C/C-SiC復合材料彎曲強度最高，為279.3MPa。
　　最后研究了素坯中不同先驅(qū)體裂解C/C素坯對GSI制備C/C-SiC復合材料的結構及性能的影響。酚醛樹脂以及呋喃樹脂在裂解C/C素坯局部區(qū)域富集嚴重，使得反應后仍有部分殘余裂解碳團聚，使得GSI反應未能充分進行，導致得到的C/C-SiC復合材料孔隙率增大，力學性能降低，彎曲強度分別為2