纤维增强SiC基复合材料微结构分析和性能评价
Microstructure Analysis and Performance Evaluation of Fiber Reinforced Silicon Carbide Composites
目前,国内外有关纤维增强SiC基复合材料的研究已经取得了重大进展,并在多个领域获得了成功应用.但是,纤维增强SiC基复合材料性能受到制备工艺、材料内部结构等因素的影响,表现出各向异性、不均匀和不连续等特点.因此,有必要系统研究原料性能、制备工艺等因素对纤维增强SiC基复合材料力学、热学等性能的影响,为其应用提供坚实的理论与数据支持. 本论文首先采用一维、二维和三维等不同编织方式的C纤维作为增强体采用有机前驱体浸渍与裂解(PIP)工艺制备Cf/SiC复合材料,研究制备工艺、编织体类型、纤维排布方式、基体类型等因素对复合材料力学、热学性能的影响.结果表明,在纵向方向上纤维含量减少,导致制备的Cf/SiC复合材料弯曲强度和弹性模量逐渐降低,面内热扩散系数和面内热导率减小.在厚度方向上,基体类型是影响Cf/SiC复合材料热导率的主要因素,基体内结晶SiC构成的复合材料热导率高于非晶态SiC基体构成的复合材料.引入SiC纳米粉可以将PCS分割成许多微小区域,降低复合材料制备过程中基体的收缩,减少大气孔的形成几率,有利于提高材料的强度.过量的SiC惰性填料则影响基体与纤维的有效结合,在一定程度上降低Cf/SiC复合材料的承载能力,导致Cf/SiC复合材料力学性能下降.PyC界面层可以避免PCS裂解形成的活性基团对C纤维损伤,使其保持良好的强度,同时PyC界面层还可以调节基体和纤维的结合强度,使基体和纤维结合强度适中,基体裂纹扩展到纤维时发生偏转,增韧效果明显,改善复合材料的性学性能. 采用PIP工艺,通过浸渍酚醛树脂的方式制备一维、二维Cf/C-SiC复合材料.结果表明,纤维排布方式基本不影响材料的致密化过程.具有不同纤维排布方式的Cf/C-SiC复合材料的密度基本相同,在1.5~1.7g/cm3之间,气孔率约为10%.随着纤维排布角度的增加,纤维在纵向方向的体积分数逐渐减小,弯曲强度逐渐降低.对于层合复合材料来说,材料的层间剪切强度受纤维排布方式影响不大,基体结合强度是影响其强度的主要因素.Cf/C-SiC复合材料较低的基体结合强度导致材料剪切强度较低,在10~15MPa之间.纤维排布方式对Cf/C-SiC复合材料面内热导率和面内热扩散系数具有非常显著的影响.在纵向方向上,随着一维纤维排布角度的增加,C纤维体积分数逐渐减小,Cf/C-SiC复合材料面内热导率和面内热扩散系数逐渐降低,而在厚度方向上,热导率主要受材料密度和气孔率影响,基本相同. 分别以钛粉和氢化钛粉作为钛源,聚碳硅烷(PCS)为硅源和碳源,创新性地利用低温裂解-高温处理工艺,合成高纯Ti3SiC2粉体.结果表明,钛粉/氢化钛粉与PCS之间的配比是获得高纯Ti3SiC2粉体的关键.当PCS含量适中(Ti: Si=3:1.5)时,钛粉完全转化为Ti3SiC2,并且没有SiC相残留,形成高纯Ti3SiC2粉体.PCS含量较少时,裂解产物不能提供足够的活性成分,钛粉无法完全反应生成Ti3SiC2,产物中含有TiC等杂相;当PCS含量较多时,产物中的杂相主要为SiC,可以用于制备Ti3SiC2/SiC复合材料.当以氢化钛为钛源时,可以在较低裂解温度下(700℃)获得中间活性产物.低温裂解温度对Ti3SiC2粉体纯度的影响较小.它的作用主要体现在,在低温裂解过程中,聚碳硅烷和钛粉经过各种反应生成具有一定活性的物质,再经过高温处理生成Ti3SiC2相.利用TiH2作为钛源制备的Ti3SiC2粉体平均粒径为9.306μm,均一性系数为0.919,说明Ti3SiC2粉体的粒径比较均匀.利用RIR法对自制的Ti3SiC2粉体进行纯度分析,约为97%.利用Ti作为活性填料,无法获得Cf/Ti3SiC2-SiC复合材料;而利用Ti3SiC2粉体作为惰性填料,可以成功制备Cf/Ti3SiC2-SiC复合材料.由于含有少量的活性杂质物质并且粒度较大,Ti3SiC2粉体的引入对C纤维性能造成一定损害,影响了基体与纤维的结合,在一定程度上降低了Cf/Ti3SiC2-SiC复合材料的承载能力,导致材料性能大幅下降.
- 作者：
- 杨金山
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院
- 专业名称：
- 材料学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2012年
- 导师姓名：
- 董绍明
- 关键词：
- 纤维增强；复合材料；SiC；Ti3SiC2；性能分析
- fiberreinforced；composites；SiC；Ti3SiC2；properties；microstures