耐高温连续碳化硅纤维的性能探讨及应用

通过比较碳纤维与SiC纤维的性能特点,介绍了连续SiC纤维的制备路径和国内外连续SiC纤维的发展进程,通过跟踪国外SiC纤维的应用,指出国产SiC纤维的应用牵引是发展的源动力。     

碳化硅纤维增强铝基材料

本文介绍了SiC连续纤维、不连续纤维的性能和工业制法,综述了SiC纤维增强铝基复合材料的各种成形加工工艺。     

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。     

碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的发展现状及其在航空发动机上的应用

碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(SiC/SiC CMC)具有低密度、高强高模、耐高温抗氧化、抗蠕变、抗热冲击、耐腐蚀、材料热膨胀系数小等性能优点,在航空发动机上具有巨大的应用潜力。从碳化硅纤维、制备工艺、界面相和涂层等方面综述了国内外SiC/SiC CMC的发展现状,并基于SiC/SiC CMC的性能特点对其在航空发动机燃烧室火焰筒、混合器、涡轮罩环/静子叶片/转子叶片、喷管调节片等热端部件上的应用情况进行了介绍。     

先驱体转化法含硼连续SiC纤维研究进展

含硼连续SiC纤维是很有前景的耐高温陶瓷纤维,室温拉伸强度达到3.0 GPa,耐温1 400℃以上。本文综述了国内外先驱体转化法含硼连续SiC纤维的基本性能和制备方法,并分析比较了各国含硼连续SiC纤维的性能以及制备方法的特点,进而提出制备含硼连续SiC纤维的新思路。     

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.     

含Al的SiC(N)陶瓷前驱体的研究进展北大核心CSCD

含异质元素Al的SiC(N)陶瓷前驱体的合成是制备高性能耐高温SiC纤维的关键步骤。本文综述了含异质元素Al的SiC(N)陶瓷前驱体的合成方法与表征结果及Al元素在陶瓷产物中的作用;并简要介绍了含Al的SiC(N)陶瓷前驱体应用,并对发展趋势和应用前景进行了展望。     

连续纤维增强陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用

阐述了连续纤维增强陶瓷(SiC)基复合材料的优势与存在的问题,重点介绍了国内外对与其相关的增强纤维、构件制备工艺、构件制备的研究进展。     

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。     

碳纤维束大小对2D C/SiC复合材料力学性能的影响

通过对2种丝束大小平纹机织的碳纤维布增强SiC(C/SiC)复合材料的力学性能实验,研究了纤维束丝束大小(1k和3k)对复合材料力学性能的影响。实验结果表明:纤维束大小不同,导致纤维束弯曲程度和复合材料孔隙率不同,从而使得C/SiC复合材料力学性能产生差异。     

国产Hi-Nicalon型SiC纤维热处理后微观结构及性能演化

为考察国产Hi-Nicalon型SiC纤维在高温下的结构-性能演化规律,对国产Hi-Nicalon型SiC纤维分别在空气和氩气环境下进行了不同温度热处理,并对纤维的微观结构及纤维束丝力学性能演化进行了表征与测试。结果表明,在空气环境下,当超过1 100℃时,国产Hi-Nicalon型SiC纤维束丝强度开始下降,伴随着纤维表面生成SiO_2氧化膜,当温度超过1 200℃时,纤维表面会形成SiO_2氧化膜鼓泡。在氩气环境下1 100～1 500℃时,纤维束丝强度开始发生缓慢劣化。当热处理温度超过1 500℃时纤维束丝强度开始加速劣化,伴随着纤维开始发生β-SiC到α-SiC相变以及SiC晶粒尺寸增大。     

碳化硅纤维长丝机织预制件织造关键技术

碳化硅SiC纤维具有高强度、高模量、耐高温等特性,主要用于耐高温材料和复合材料增强相,但因其脆性大,织造过程易起毛、断裂,故较难实现自动化织造。分析了碳化硅纤维的性能及对织造过程带来的困难,介绍了赛菲集团碳化硅纤维长丝织造的专用设备,重点介绍了其整经和多经轴送经系统以及碳化硅纤维长丝结构工艺设计的要领。     

连续SiC纤维增强钛基复合材料研制

钛基复合材料由于在中高温环境下具有很高的比强度、比模量以及良好的抗疲劳和抗蠕变特性,受到研究者的广泛关注。回顾了国内外该材料的发展历程,详细介绍了连续SiC纤维增强钛基复合材料的研制过程,包括SiC纤维制备、涂层制备、复合材料成型及构件制备等工艺过程。概述了研究团队近年来在连续SiC纤维增强钛基复合材料研究领域开展的工作及取得的进展,包括成功研制了高性能连续SiC纤维并实现小批量试制,设计了适用于不同增强基体合金的界面涂层,研究表明研制的C涂层可使复合材料经1100℃处理后界面涂层保存较好;实现了20~50μm性能优异的钛合金、铝合金、高温镍合金先驱丝的沉积;完成了Ф600mm×160mm尺寸的复合材料环形件及Ф50mm×300mm转动轴部件的试制。最后对该材料未来的发展趋势进行了展望。     

环境温度对二维编织SiC/SiC复合材料拉伸性能的影响研究

为了研究环境温度对陶瓷基复合材料拉伸性能的影响，在室温和800℃，1 000℃，1 200℃惰性气体保护环境下开展了二维编织SiC/SiC复合材料的拉伸试验。采用数字图像相关技术采集了高温环境下试件的变形数据。通过光学显微镜和扫描电子显微镜拍摄了试件的断口形貌。结果表明：800～1 200℃内，二维编织SiC/SiC复合材料的拉伸应力-应变响应同样具有明显的双线性特征，初始线性段的弹性模量与室温测试结果相近，高温环境下第二线性段弹性模量低于室温环境；800～1 200℃惰性气体环境下材料拉伸强度较室温环境低20%左右；温度主要影响材料中纤维与基体的结合状态和SiC纤维的强度。一方面，温度越高断口纤维拔出情况越严重；另一方面，温度越高SiC纤维强度越低，二维编织SiC/SiC复合材料强度也有所下降。     

纤维分布对Gr/Al复合材料显微组织和弯曲性能的影响

利用真空压力浸渗法制备了石墨纤维增强的铝基复合材料（Gr／ZL101A），研究了不同的纤维分布状态（SiC颗粒混杂纤维与未混杂的纤维）对复合材料显微组织及弯曲性能的影响。结果表明，SiC颗粒混杂不仅改善了纤维分布均匀性，而且弯曲性能也有明显提高。     

连续SiC纤维制备技术进展及其应用

SiC纤维因其具有优异的特性,在各个领域都有广泛的应用。尽管如此,已生产的SiC纤维不是纯的SiC,其组成中含有不同组分的Si、C、O等元素,在1300℃以上,β-SiC微晶会长大,同时氧的存在会使纤维释放CO和SiO等气体,从而限制了纤维在更高端领域的应用。如何解决这一问题是未来研究方向和热点之一。     

沉积温度及走丝速度对SiC纤维拉伸强度和B4C涂层厚度、表面形貌的影响

采用CVD工艺在W芯SiC纤维表面涂覆B4C涂层,通过扫描电镜和纤维拉伸测试研究沉积温度和走丝速度对W芯SiC纤维拉伸强度和B4C涂层厚度、表面形貌的影响规律。结果表明,在1100℃以下不能获得B4C涂层。在一定的涂层参数下,可以获得与W芯SiC纤维的拉伸强度最接近(达3339MPa)的带B4C涂层的SiC纤维。且在其他涂层参数不变的情况下,为优化工艺参数,应符合沉积温度>1210℃时,走丝速度>0.055m/s;或沉积温度<1210℃时,走丝速度<0.055m/s。沉积温度影响SiC纤维的拉伸强度和B4C涂层厚度、表面形貌,走丝速度影响SiC纤维的拉伸强度和B4C涂层厚度。     

单纤维增强SiCf/SiC陶瓷基复合材料切削机理研究

根据SiC_f/SiC陶瓷基复合材料的结构特点构建了二维切削有限元分析模型，发现微裂纹在基体材料的萌生与扩展、增强相纤维对裂纹扩展的阻碍是切削该材料的基本去除方式。单纤维增强SiC_f/SiC陶瓷基复合材料切削过程是基体材料的裂纹不断萌生、扩展和增强纤维不断拉断、折断而形成切屑的综合过程，刀具与基体、纤维不断的脱离、接触导致切削力波动大，切削过程呈明显的随机波动特性。SiC纤维的存在对于控制裂纹的形成与扩展具有重要作用，SiC纤维限制了裂纹的扩展长度，使得形成的切屑尺寸较小，有利于提高表面加工质量。     

CVD碳化硅纤维及其金属基复合材料进展概况

高模量,高强度CVD SiC纤维作为金属基体增强剂正引起人们极大兴趣,本文目的在于评述CVD SiC纤维及其金属基复合材料室温和高温机械性能、高温应用以及碳化硅纤维市场价格估算。     

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。