以一种新型先驱体制备SiC/SiC复合材料高温弯曲性能研究

以新型先驱体LPVCS(含乙烯基液态聚碳硅烷)为原料,以经CVD裂解碳(PyC)界面改性的KD-1型SiC纤维作为增强相,采用先驱体浸渍裂解工艺(PIP)制备三维编织SiC/SiC复合材料,并对其室温及1300℃弯曲性能测试表征。试验结果表明,采用LPVCS为先驱体制备SiC/SiC复合材料,降低了材料制备周期,且9个周期后材料密度达到2.14g/cm3,开孔率为10.8%。在1300℃空气环境中,SiC/SiC复合材料弯曲强度达到470.2MPa,断裂韧性达到20.7MPa·m1/2。采用扫描电镜对SiC/SiC复合材料1300℃下断口形貌进行观察,SiC纤维存在一定拔出;断口表面存在较为严重的氧化现象,这是导致材料弯曲强度降低的主要原因。     

碳纤维编织物中真空浸渍引入SiC微粉的工艺研究

采用真空浸渍法在碳纤维编织物中预先引入SiC微粉,以缩短先驱体浸渍裂解制备碳纤维三维编织物(3D BCf)增强SiC陶瓷基复合材料的制备周期,考察了微粉粒度、浆料SiC/无水乙醇(EtOH)质量比等参数对引入SiC微粉体积分数的影响。结果表明,当SiC微粉粒度为 0. 4μm,浆料SiC/EtOH质量比为 1∶1和 1∶2时真空浸渍效果较佳,在碳纤维编织物中引入SiC微粉的体积分数可达 10%左右,缩短了先驱体浸渍裂解制备Cf/SiC复合材料的致密化周期,在相同浸渍裂解周期下,可提高材料的力学性能。     

我国碳纤维增强SiC基复合材料抗烧蚀改性进展研究

碳纤维增强SiC基复合材料(C/SiC)因具有耐高温、抗氧化、高比强和高比模等优点,被认为是代替高温合金作为热结构材料最有潜力的备选材料之一。由于碳纤维抗氧化性能差以及SiC基体在超高温烧蚀环境下氧化产物易挥发等问题,需要对C/SiC复合材料进行抗烧蚀改性。目前,针对C/SiC复合材料抗烧蚀改性的途径主要有优化碳纤维预制体结构和增加复合材料的致密度、采用超高温陶瓷改性SiC基体以及在复合材料表面制备抗烧蚀涂层。综述了国内关于C/SiC复合材料抗烧蚀改性的研究工作,同时提出了抗烧蚀改性制备工艺过程中面临的关键问题,为C/SiC复合材料抗烧蚀改性研究提供了思路。     

C/SiC复合材料的制备及加工技术研究进展

碳纤维增强碳化硅陶瓷基(C/SiC)复合材料由于其强度高、硬度大、耐磨损,被广泛应用于工业、航空航天等领域,然而C/SiC复合材料难以被稳定地去除加工。本文综述C/SiC复合材料的常见制备方式及其材料的性能特点。概述C/SiC复合材料的传统机械加工、超声辅助加工、激光加工等加工方法,分析了各种加工方法的材料去除机理、加工精度、常见缺陷及加工过程中存在的问题。传统的机械加工需进一步优选切削刀具材料;超声辅助加工需探究超声振动的刀具与材料之间的耦合作用机制、振动作用下的材料去除机理;激光加工要进一步研究2.5维及3维C/SiC复合材料的激光加工去除机理。在这些研究的基础上进一步采用复合加工的方法,探寻C/SiC复合材料高效、精密、稳定和无损加工的可能性。     

纤维表面PIP-SiC涂层对2D-SiC_f/SiC复合材料力学性能影响

采用低浓度先驱体溶液利用先驱体浸渍裂解(PIP)工艺在SiC纤维表面制备了SiC涂层,研究了浸渍裂解次数对纤维涂层形貌的影响.研究表明,采用10%的PCS先驱体溶液经3次浸渍裂解后可在纤维表面制得连续致密的SiC涂层.采用经涂层处理的SiC纤维布经热模压成型-先驱体浸渍裂解工艺制备了2D-SiCf/SiC复合材料,其弯曲强度随制备涂层浸渍裂解次数的增加先增后降,经3次浸渍裂解制备涂层的复合材料强度最高,由未经涂层处理的163.5MPa增大到245.9MPa,强度提高近50%.研究证明,SiC纤维表面SiC涂层使纤维在材料致密化过程所受的损伤减小,同时改善了界面,使复合材料强度明显提高.     

浸渍工艺对先驱体转化制备Cf/SiC复合材料结构与性能的影响

以聚碳硅烷(PCS)/二乙烯基苯(DVB)为先驱体制备了3D-B Cf/SiC复合材料,研究了不同浸渍工艺对材料力学性能的影响.结果表明采用加热加压浸渍可以大大提高先驱体的浸渍效率,提高所制备材料的密度,从而明显提高Cf/SiC复合材料的力学性能.选用加热加压浸渍条件所制备的材料密度达到1.944g/cm3,室温弯曲强度达到662MPa,在1650℃(真空)和1800℃(真空)下测试,材料的弯曲强度分别为647MPa和609MPa.     

2D-C/SiC复合材料在空气中的高温压缩强度研究

研究了二维碳纤维增强碳化硅基复合材料(2 D-C/SiC)在空气介质中的高温压缩强度.材料采用1K T300碳纤维平纹布经叠层和缝合制成预制体为增强体,经等温化学气相浸渗制备而成.试样表面用化学气相沉积工艺沉积SiC涂层.测试方向为垂直于炭布叠层方向,测试温度为室温,700℃,1100℃和1300℃.使用扫描电子显微镜观察了材料的断口.结果表明:室温～700℃,2D-C/SiC的压缩强度随温度升高逐渐增大,温度高于700℃后,材料的压缩强度缓慢降低.导致2D-C/SiC的压缩强度随温度变化的主要原因为纤维和基体热膨胀系数不同引起的残余应力随温度升高逐渐变小和高温下材料的氧化损伤.     

C/SiC复合材料在典型模拟环境下高温拉伸性能研究

以先驱体浸渍裂解（PIP）工艺制备的C/SiC复合材料为对象,研究了C/SiC复合材料在典型模拟环境下的高温拉伸性能,首次获得了约3 000 s时间不同变状态条件下材料的高温拉伸性能数据,探讨了不同条件下C/SiC复合材料高温承载行为及其变化规律。研究结果表明,C/SiC复合材料经历约3 000 s复杂阶梯热环境后拉伸强度仍保持60%左右;经历大温度梯度热震后,C/SiC复合材料的高温拉伸性能保持率反而提高,最高保持率超过80%;热震温差越大,热震后保温时间越长,对材料的高温拉伸性能保持和提高越有利。     

首周期裂解方式对先驱体转化制备C_f／SiC复合材料性能的影响

以聚碳硅烷(PCS)为陶瓷先驱体,采用PIP工艺制备3D-B Cf/SiC复合材料,研究了首周期采用不同裂解方式对基体及材料性能的影响.研究结果表明,首周期采用真空裂解或加压(5MPa)裂解,先驱体的陶瓷产率不同,加压裂解的陶瓷产率最高,达到67.2%.裂解方式对产物的晶体结构没有明显的影响;首周期采用真空裂解制得的Cf/SiC复合材料性能最优,室温弯曲强度和断裂韧性达到404MPa和20.2MPa·m1/2,分别比采用加压裂解所得材料的性能提高40.7%和42.3%.     

C/SiC复合材料渗Ni对热物理性能的影响

采用液相浸渍还原法将Ni渗入C/SiC复合材料,用SEM、XRD技术分析材料的微观结构及组成.采用热膨胀仪和激光脉冲导热仪对材料的热膨胀和热扩散性能进行研究.结果表明：Ni在复合材料内部呈颗粒聚集体态,CVD SiC涂层过程中,Ni与SiC基体反应生成Ni2Si.渗Ni后复合材料线胀系数变化趋势在200～700℃内与C/SiC原料的一致,800℃出现肩峰;再经沉积SiC涂层后线胀系数增大,但整体变化趋势仍与原料的一致.渗Ni后材料的热扩散系数明显高于C/SiC材料.Ni的渗入对C/SiC复合材料的三点弯曲强度基本无影响.     

金属基复合材料激光诱发反应焊接研究

将激光焊接技术用于碳化硅颗粒增强铝基复合材料的焊接。激光能量诱发复合材料和反应添加物钛之间的相互作用产物形成了复合材料的焊接接头。在一定的焊接条件下该反应产物能够完全阻止有害碳化铝相在焊接区的形成。给出了金属基复合材料激光诱发反应焊的试验结果,并从理论上对激光诱发反应焊接机理进行了探讨。     

SiC颗粒增强Al基复合材料焊接工艺研究

通过SiC颗粒增强Al基复合材料与Al合金的焊接工艺试验研究，重点分析了材料组合，保湿工艺，连接时间等工艺参数对连接接头性能的影响以及连接接头的微观组织及成分分布，研究表明，TLP扩散连接是一种适用于复合材料连接的重要方法，在相同工艺条件下，LF6／SiCp-6061Al的接头性能明显优于LF6／SiCp-2024Al，连接时间过短或过长，都将影响到接头性能，并且连接时间对不同材料组合的影响也不同，采用二次保温工艺可以较大幅度地提高接头性能。     

加工工艺对C/ SiC 复合材料性能的影响

采用普通磨削和超声辅助磨削工艺对C/Si C复合材料进行加工,对不同加工工艺参数获得的C/Si C复合材料进行表面状态表征及力学性能的测试。结果显示在磨削深度0.05 mm,进给速度600 mm/h,转速1 600 r/min,超声频率14 k Hz的工艺参数匹配条件下,所得到的C/Si C复合材料的表面粗糙度最小,弯曲强度最大。表明超声辅助磨削加工工艺对材料力学性能损伤较小。     

Cutting path-dependent machinability of SiCp/Al composite under multi-step ultra-precision diamond cutting

Particle-tool interactions, which govern the synergetic deformation of SiC particle reinforced Al matrix composites under mechanical machining, strongly depend on the geometry of particle position residing on cutting path. In the present work, we investigate the influence of cutting path on the machinability of a SiCp/Al composite in multi-step ultra-precision diamond cutting by combining finite element simulations with experimental observations and characterization. Be consistent with experimentally characterized microstructures, the simulated SiCp/Al composite is considered to be composed of randomly distributed polygonally-shaped SiC particles with a volume fraction of 25vol%. A multi-step cutting strategy with depths of cut ranging from 2 to 10 μm is adopted to achieve an ultimate depth of cut of 10 μm. Intrinsic material parameters and extrinsic cutting conditions utilized in finite element simulations of SiCp/Al cutting are consistent with those used in corresponding experiments. Simulation results reveal different particle-tool interactions and failure modes of SiC particles, as well as their correlations with machining force evolution, residual stress distribution and machined surface topography. A detailed comparison between numerical simulation results and experimental data of multi-step diamond cutting of SiCp/Al composite reveals a substantial impact of the number of cutting steps on particle-tool interactions and machined surface quality. These findings provide guidelines for achieving high surface finish of SiCp/Al composites by ultra-precision diamond cutting.     

微量Al 掺杂对2D C/ SiC 性能的影响

以二维编织碳纤维碳布为预制体,采用聚铝碳硅烷(PACS)为聚合物前驱体,应用化学气相渗透(CVI)结合聚合物浸渗-裂解(PIP)工艺制备微量Al掺杂2D C/SiC复合材料。研究微量Al掺杂对C/SiC微观结构、力学、热膨胀和氧-乙炔焰烧蚀性能的影响。结果表明:掺杂微量Al未改变C/SiC的微观结构和热膨胀性能,也未降低其韧性和强度;但微量Al掺杂提高了C/SiC的抗烧蚀性能,含微量Al的SiC氧化形成微量Al熔于SiO2的固熔体,微量Al提高了SiO2的黏度和致密度,减小SiO2挥发,较未掺杂Al的C/SiC相比,线烧蚀率降低了26%。     

用粉浆法制造SiC/Al复合材料

 用Nicalon SiC纤维进行SiC/Al复合材料研究的结果表明,Al对该纤维的润湿性很差。其次,该纤维会与Al发生化学反应损伤纤维从而使其强度下降。因此,寻找一种低温固态复合工艺,如粉浆法,是必要的。粉浆法可避开液态Al不润湿SiC纤维的不利因素,又可降低化学反应速度,从而减少对纤维的化学损伤;此法可在常温下预成形因而可将玻璃的缠绕成型工艺移植到金属基复合材料。     

化学镀SiC/Ni-P功能梯度材料工艺、组织及性能

通过对化学镀Ｎｉ－ Ｐ－ ＳｉＣ复合镀层的研究,找到了制备ＳｉＣ／Ｎｉ－ Ｐ 功能梯度材料（ＦＧＭ） 的工艺方法。并采用光学显微镜、电子探针分析仪及热震试验等方法和手段对功能梯度材料的组织、形貌、成分与镀层结合力进行了研究。结果表明,功能梯度材料中ＳｉＣ微粒以弥散状态沿镀层厚度方向呈梯度分布,无团聚结块现象,材料致密,组织细小。功能梯度材料较单层Ｎｉ－ Ｐ－ ＳｉＣ复合镀层以及Ｎｉ－ Ｐ／Ｎｉ－ Ｐ－ ＳｉＣ 双层镀层具有更好的结合强度。     

C/SiC复合材料烧蚀机理和通用计算模型研究

研究了C/SiC复合材料氧化烧蚀机理,发现它们与传统的硅基和碳基材料烧蚀有很大差别。C/SiC的烧蚀取决于氧的分压、表面温度和材料晶态结构及成份,可能出现活性氧化和惰性氧化两种破坏机制。研究了氧化膜的形成和破坏条件,以及氧化膜中氧气的扩散机制,建立了适用于C、Si、SiC和C/SiC(C和SiC可有不同混和比)四种材料烧蚀计算的通用物理数学模型。     

SiCp含量及缓蚀剂对SiCp／Al金属基复合材料腐蚀行为的影响

研究了ZL101A铝合金及以其为基体含5vol%,10vol%,15vol%和20voll%SiCP的SiCP/Al金属基复合材料在3.5%NaCl溶液中的腐蚀行为,通过添加钼酸钠、硅酸钠等缓蚀剂在3.5%NaCl溶液中,将SiCP/Al金属基复合材料在室温下浸泡一定的周期,采用失重法和SEM技术分别计算腐蚀速率和分析腐蚀后的微观组织形貌.试验结果表明SiCP颗粒增强物的加入对SiCP/Al金属基复合材料腐蚀速率影响不大,甚至略有降低,SiCP改变了铝合金基体表面腐蚀的形核和发展,点蚀数量增加、深度变浅.添加缓蚀剂后,抑制了SiCP/Al金属基复合材料表面点蚀的形成,与钼酸钠缓蚀剂相比,硅酸钠具有良好的缓蚀作用,当SiCP颗粒增强物的含量达到15vol%和20vol%时,缓蚀剂的缓蚀效果明显下降.