連續(xù)碳纖維增強(qiáng)莫來石基復(fù)合材料的性能與失效行為研究.pdf

1、莫來石(Mullite)陶瓷具有密度低、熱膨脹系數(shù)低、抗熱震性好、耐高溫、抗氧化等優(yōu)點(diǎn)，在高溫結(jié)構(gòu)和熱防護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但室溫下較差的力學(xué)性能限制了它的應(yīng)用。本文在前期研究基礎(chǔ)上，以碳纖維布疊層縫合預(yù)制件為增強(qiáng)體，以符合莫來石化學(xué)計(jì)量比的Al2O3-SiO2溶膠為原料，通過浸漬-干燥-熱處理技術(shù)路線制備C/Mullite復(fù)合材料。論文探究了Al2O3-SiO2溶膠的燒結(jié)收縮行為和莫來石化行為，在對復(fù)合材料工藝進(jìn)行初步優(yōu)化的基礎(chǔ)

2、上，重點(diǎn)研究分析了C/Mullite復(fù)合材料的本征性能，以及在模擬應(yīng)用環(huán)境中的失效行為。
　　所用Al2O3-SiO2溶膠的固含量和陶瓷產(chǎn)率分別為30.7wt.％和18.3wt.%。經(jīng)過1300℃熱處理后，溶膠莫來石化基本完成。凝膠粉末的壓片在熱處理時(shí)，線收縮率隨著熱處理溫度增大而升高，溫度越高越有利于粉末燒結(jié)。經(jīng)初步優(yōu)化，建立了能夠避免復(fù)合過程中碳纖維布分層開裂的工藝路線。以優(yōu)化的工藝路線制備得到表觀密度、總孔隙率、開孔率分別為

3、2.19g·cm-3、13.4%和11.3%的C/Mullite復(fù)合材料。
　　采用不同測試方法表征了C/Mullite復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度（228.9±11.0MPa）略高于四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度（210.6±8.9MPa），服從m=30.6、λ=238.0的兩參數(shù)Weibull分布，m值較大，說明復(fù)合材料具有較好的均勻性。由于連續(xù)碳纖維的引入，復(fù)合材料具備纖維斷裂、界面脫粘、拔出等增韌機(jī)制，斷裂韌性達(dá)到11.2MPa·m1/

4、2，是單體Mullite陶瓷的4-5倍。C/Mullite復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別為119.9MPa和36.6GPa，X方向的壓縮強(qiáng)度為128.2MPa，層間剪切強(qiáng)度為28.1MPa。
　　表征了C/Mullite復(fù)合材料在室溫-1400℃區(qū)間內(nèi)的熱物理性能，為材料的工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。C/Mullite復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)隨溫度的升高先增大后減小，在1000℃時(shí)達(dá)到最大值4.83×10-6K-1；1300℃以后，由于基

5、體進(jìn)一步燒結(jié)收縮，熱膨脹系數(shù)呈現(xiàn)為負(fù)值。C/Mullite復(fù)合材料的比熱容隨溫度的升高而增大，溫度高于1200℃后趨于穩(wěn)定，在1200℃時(shí)達(dá)到最大值1.547J·g-1·K-1，室溫時(shí)最小，為0.756J·g-1·K-1。C/Mullite復(fù)合材料的熱擴(kuò)散率隨溫度升高呈下降趨勢，高溫時(shí)趨于平穩(wěn)，室溫?zé)釘U(kuò)散率最高，為1.1mm2·s-1，700℃時(shí)最低，為0.707mm2·s-1。C/Mullite復(fù)合材料的熱導(dǎo)率基本上隨溫度升高而增大，

6、室溫時(shí)熱導(dǎo)率為1.859W·m-1·K-1，1200℃時(shí)復(fù)合材料熱導(dǎo)率達(dá)到最大，為2.325W·m-1·K-1。
　　分別研究了C/Mullite復(fù)合材料在高溫惰性、高溫氧化以及高溫水汽條件下的性能演變行為。在1200℃和1400℃惰性氣氛中熱處理1h后，復(fù)合材料具有較好的耐高溫性能，質(zhì)量保留率分布別為99.4%和99.2%，強(qiáng)度保留率分別為103.1%和84.6%，當(dāng)溫度升高到1600℃時(shí)，由于基體晶粒粗化以及纖維與基體間的碳熱

7、還原反應(yīng)，質(zhì)量和強(qiáng)度保留率分別顯著下降到82.8%和29.3%。C/Mullite復(fù)合材料具有較好的抗氧化性能，在1200℃-1600℃靜態(tài)空氣中氧化30min后，強(qiáng)度保留率均在75%左右，復(fù)合材料氧化是從材料表面逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展的過程。C/Mullite復(fù)合材料經(jīng)過1000℃水汽考核30min后，強(qiáng)度保留率為71.3%，當(dāng)水汽考核溫度升高到1200℃和1400℃時(shí)，復(fù)合材料性能保留率顯著下降，不到45%，纖維與基體在高溫條件下受到水汽的

8、嚴(yán)重腐蝕，生成揮發(fā)性物質(zhì)導(dǎo)致復(fù)合材料失效。
　　研究了C/Mullite復(fù)合材料在空氣中的抗熱震性能，復(fù)合材料的質(zhì)量損失隨熱震次數(shù)增加呈近線性關(guān)系增大，經(jīng)過1200℃?室溫和1400℃?室溫條件下10次熱震（保溫10min）后，復(fù)合材料強(qiáng)度保留率僅分別為43.9%和25.4%。熱震過程中碳纖維的氧化以及由于纖維與基體之間因熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的熱應(yīng)力是復(fù)合材料失效的主要原因。
　　初步研究了C/Mullite復(fù)合材料的抗燒