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文檔簡介
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
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