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。     

C／SiC复合材料与CVDSiC涂层的结合性能研究

采用先驱体转化法(PIP方法)制备C/SiC陶瓷基复合材料,通过调整多孔预制件的体积密度制备出不同组分比的C/SiC复合材料。结果显示,C/SiC复合材料的热膨胀系数随着复合材料中SiC含量的增加而增加,其与CVDSiC涂层之间的热匹配也相应增加,通过CVI方法制备梯度过渡层,在C/SiC复合材料表面制备出致密度较高的CVDSiC涂层。     

SiC/SiC陶瓷基复合材料研究及应用

SiC/SiC陶瓷基复合材料保留了SiC陶瓷耐高温、高强度、抗氧化、耐腐蚀、耐冲击的优点,同时兼具Si C纤维增强增韧作用,克服了Si C陶瓷断裂韧性低和抗外部冲击载荷性能差的先天缺陷。SiC/SiC复合材料具有低密度、高温性能稳定、低氚渗透率和优异的辐照稳定性,在航空、航天、核能等领域具有广泛的应用前景。     

SiC晶须增韧SiC mini复合材料的制备与性能分析

采用CVI工艺制备了SiC晶须增韧SiC(SiCW/SiC)mini复合材料,研究了其微观结构和力学性能.实验结果表明:SiC晶须的体积分数达到45%～50%,SiCW/SiC mini复合材料的维氏显微硬度平均值为19.04GPa,断裂韧度平均值达到6.51MPa·m1/2.微观结构观察证实SiC晶须的引入在mini复合材料中产生了晶须桥联、晶须拔出、晶须断裂和裂纹偏转等增韧机制,为后续SiCW/SiC复合材料的制备奠定了基础.     

气相渗硅制备C/SiC复合材料

C/SiC复合材料具有轻质、高比强度、高比模量、高热导率、低热膨胀系数、耐磨损、热稳定性好等诸多优点,是新一代高温热结构材料,在空间光学系统、飞行器热防护系统、车辆和飞机的制动系统等领域得到了广泛的应用。本文首先对C/SiC复合材料的优良性能和制备工艺作简要介绍,随后重点介绍气相渗硅制备C/SiC复合材料的工艺设计及工艺优化研究,最后,对气相渗硅制备C/SiC复合材料需要进一步解决的问题作了小结。     

不同纤维束下SiC陶瓷基复合材料拉伸强度及拉伸行为研究

为了探究C纤维和SiC纤维对SiC陶瓷基复合材料力学性能的影响,采用化学气相浸渗法(CVI)制备了纤维束复合材料Mini-C/SiC和Mini-SiC/SiC,测试了C纤维束、SiC纤维束、Mini-C/SiC和Mini-SiC/SiC复合材料的拉伸强度,利用两参数Weibull分布模型研究了强度分布,并观察了复合材料的断口形貌。结果表明:两参数Weibull分布可有效合理地表征强度分布,并准确地进行强度预测。Mini-C/SiC复合材料的拉伸强度高于Mini-SiC/SiC复合材料,且C纤维束和Mini-C/SiC复合材料拉伸强度的分散性低于SiC纤维束和Mini-SiC/SiC复合材料。C纤维束发生韧性断裂,SiC纤维束发生脆性断裂。当基体裂纹达到饱和状态时,Mini-C/SiC复合材料继续变形直至断裂,而Mini-SiC/SiC复合材料随即发生断裂,Mini-C/SiC复合材料的断口主要以纤维丝和纤维簇的拔出为主,而Mini-SiC/SiC复合材料的断口主要以纤维丝的拔出为主。该实验结果将为SiC陶瓷基复合材料的设计与制备提供参考与借鉴。     

PIP工艺制备SiC晶须增强SiCf/SiC复合材料的性能

以不同界面层厚度的SiC纤维为增强相,采用先驱体浸渍裂解工艺(PIP)制备SiC_f(PyC)/SiC复合材料,并在复合材料基体中引入SiC晶须,对其性能进行研究。结果表明:热解碳(PyC)界面层厚度约为230 nm时,SiC纤维拔出明显,SiC_f/SiC复合材料拉伸强度、弯曲强度和断裂韧度分别达到192.3 MPa、446.9 MPa和11.4 MPa?m^1/2;在SiC_f/SiC复合材料基体中引入SiC晶须后,晶须的拔出、桥连及裂纹偏转等增韧机制增加了裂纹在基体中传递时的能量消耗,使复合材料的断裂韧度和弯曲强度分别提高了22.9%和9.1%。     

Cf／SiC复合材料与Nb合金的连接

利用熔盐反应法在Cf/SiC复合材料表面锆金属化的基础上,用TiCuZrNi非晶钎焊箔实现Cf/SiC复合材料与Nb合金钎焊连接.研究发现Cf/SiC复合材料表面Zr金属化层主要的物相为Zr、Zr3O、ZrC和Zr2Si;钎料对Zr金属化层的润湿性良好,钎料中活性元素Ti向Cf/SiC复合材料一侧明显扩散并发生化学反应,实现了钎料与Cf/SiC复合材料的良好键合,并且可以深入Cf/SiC复合材料孔隙形成"钉扎"效应;接头剪切强度达124 MPa,750℃热冲击5次后剪切强度达70 MPa;断裂部分发生在Cf/SiC复合材料与钎料界面处,部分位于Cf/SiC复合材料近缝区.     

SiC含量对Ti3SiC2/SiC复合材料性能的影响

采用反应热压烧结法制备了Ti3SiC2/SiC复合材料,针对SiC含量对该复合材料致密化程度、力学性能以及应力.应变行为的影响进行了研究.结果表明:(1)随着SiC含最的增加,试样难于致密,试样需要在更高的温度才能达到较高的致密度;(2)随SiC含量的增加,Ti3SiC2/SiC复合材料弯曲强度和断裂韧性提高,但SiC含量达到50%时,由于复合材料含有较多的孔洞,使强度和断裂韧性降低;(3)Ti3SiC2/SiC复合材料在常温下表现为非脆性断裂.     

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。     

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。     

添加剂对聚碳硅烷热解制备的SiC/SiC复合材料性能的影响

本文就用添加剂来改善用聚碳硅烷热解制备的SiC/SiC复合材料的性能,及添加剂对SiC/SiC复合材料性能的影响进行了初步的探讨,对用热解法制备SiC/SiC复合材料的烧成增强机制和显微结构与强度之间的关系也作了研究。     

单向SiC/SiC复合材料拉伸行为模拟研究

理解单向SiC/SiC复合材料在拉伸过程中的损伤破坏机制对掌握SiC/SiC复合材料的力学行为有着至关重要的意义。本文构建了一个单向SiC/SiC复合材料微观二维有限元模型,基于强度判定模拟纤维随机断裂过程;基于内聚力模型模拟界面脱粘现象;特别针对基体裂纹现象,通过均匀质方法和断裂能释放率建立了基体的连续介质损伤模型。结果显示,模型成功模拟了单向SiC/SiC复合材料在拉伸过程中的微观破坏机制和宏观力学行为。基体裂纹、纤维断裂、界面脱粘这3种微观破坏机制之间共同作用、相互影响,最终造成了材料整体的失效。本文中获得的结果将有助于进一步理解单向SiC/SiC复合材料拉伸行为,有利于材料性能的提高。     

CSCVI法制备C布增韧SiC基复合材料及其微观结构

为了提高CVI法制备C/SiC复合材料的致密化速度 ,提出了连续同步CVI(CSCVI)法制备C布增韧SiC基复合材料的技术路线 ,制备了C/SiC复合材料 ,并观察了其微观结构。实验结果表明 ,在CSCVI工艺中 ,SiC基体沉积速度越快 ,材料的致密化程度越大且致密效果越好。同时 ,SiC基体沉积速度只由沉积温度与MTS(CH3 SiCl3 )流量控制 ,使工艺的可操作性增强 ,工艺参数可在较大范围内变动     

SiC/SiC mini复合材料拉伸性能分散性的数值仿真方法

建立了一种能够高效计算连续纤维增强SiC/SiC陶瓷基复合材料力学性能统计分布函数的数值仿真方法。建立SiC/SiC mini复合材料简化二维胞元模型,输入组分材料力学性能参数的概率分布函数,得到胞元的力学性能。将胞元作为mini复合材料二维模型的单元对模型进行网格划分,并赋予其材料性能参数,从而得到mini复合材料的拉伸应力-应变曲线。经多次重复计算得到了mini复合材料拉伸应力-应变曲线的概率分布函数。从结果中发现,SiC/SiC mini复合材料拉伸强度满足威布尔分布,且相比于纤维和基体强度的模数,复合材料拉伸强度的模数增大,即分散性减小,同时尺度参数降低,表明mini复合材料出现概率最大的拉伸强度值变小;随着纤维和基体强度概率分布威布尔模数的增大,mini复合材料拉伸强度的尺度参数有增大的趋势。      

SiCf/SiC复合材料氮化硼(BN)界面层及其复合界面层研究进展

SiC_f/SiC复合材料由SiC纤维、SiC基体和界面层组成。界面层可以传递载荷和偏转裂纹,同时防止SiC纤维受到材料制备和使用过程中的化学侵蚀,对于调节SiC_f/SiC复合材料的性能具有非常重要的作用。本文综述了氮化硼界面层的晶体结构、复合界面层的种类,介绍了化学气相渗透法制备氮化硼(boron nitride,BN)及其复合界面层的工艺条件,总结了先驱体气体比例、载气、沉积压力及温度等工艺条件对界面层沉积速率、微观形貌结构的影响。选择合适的工艺条件,制备理想结构的BN及其复合界面层,将是SiC_f/SiC复合材料界面层研究领域的重点和难点。     

二维 C/SiC复合材料的室温疲劳行为及寿命预测

为了研究二维C/SiC复合材料的疲劳行为并对其进行寿命预测,进行室温下二维C/SiC复合材料的拉伸试验和疲劳试验,并使用扫描电镜(SEM)观察其断口形貌。结果表明:C/SiC复合材料表现出类似金属的韧性断裂行为,疲劳极限约为极限拉伸强度(UTS)的85%,在室温下具有较为优良的抗疲劳性能;由于复合材料的缺口钝化效应,缺口试样的S-N曲线要高于光滑试样,但两者趋势一致,据此提出基于名义应力的疲劳寿命预测方法。     

3D针刺C/SiC复合材料螺栓的低成本制备及力学性能

以三维针刺碳毡作为预制体,通过化学气相渗透(CVI)工艺,制备了密度约为1.50～1.60 g/cm3的半成品C/SiC复合材料板材,然后采用专用磨具在半成品复合材料板上按照指定的取样方式切割出螺杆与头部毛坯,并分别对螺杆和头部攻丝,将两者装配在一起形成半成品螺栓,对半成品螺栓CVI致密化并在其表面制备SiC抗氧化涂层,制备出低成本的3D针刺C/SiC复合材料螺栓.提出了C/SiC复合材料螺栓力学性能的测试方法,通过自行设计的夹具,对所制备螺栓的力学性能进行了测试表征,并利用扫描电子显微镜(SEM),对C/SiC复合材料螺栓的拉伸断口形貌进行了观测.结果表明,所制备的螺栓具有较好的抗拉和抗剪能力,室温下螺栓的抗拉强度和剪切强度分别为151.7 MPa和85.6 MPa.     

C/ SiC 复合材料喷管焊接连接技术研究

C/SiC-金属连接是C/SiC复合材料喷管应用的关键技术.本文综述了上海空间推进研究所对CVD铌和钎焊两种C/SiC复合材料喷管连接技术的分析和研究试验,指出其存在的问题和解决途径以及后续发展的重点.此外,还探讨了工业CT在复合材料喷管焊接连接件的检测情况,说明微焦点工业CT对C/SiC喷管-金属连接件具有较好的检测效果,可以为产品质量评估提供可靠依据.     

SiC/SiC复合材料涡轮叶片结构设计及静强度评价

以高温合金低压涡轮叶片为原型，研究了采用SiC/SiC复合材料进行该型涡轮叶片结构设计的可行性。完成了SiC/SiC叶片的宏观设计、榫头设计和细节设计。计算分析了金属和复合材料涡轮叶片的变形和应力特点。对按设计制备的SiC/SiC叶片开展了拉伸强度测试，并在试验中监测了叶片的应变。计算结果表明：SiC/SiC叶片在额定状态下的伸长量低于原金属叶片；叶身叶根与缘板过渡处应力水平最高，但低于SiC/SiC复合材料的拉伸强度；榫头榫颈处有发生局部剪切破坏的风险。试验结果表明：该SiC/SiC叶片的断裂明显呈现出拉伸失效模式，以断裂转速计算的静强度储备系数约为1.3；所采用的SiC/SiC叶片结构设计方法可行，所制备的复合材料叶片也顺利通过了实验室条件下的静强度考核。