渗硅工艺制备纤维增强陶瓷基复合材料及涂层的性能研究

C/SiC复合材料具有密度小、比强度高、断裂韧性高、非脆性断裂等优点,在航空航天、国防军工、新能源以及现代交通等领域具有广阔的应用前景.虽然目前常用的复合材料制备方法,如化学气相渗透法(CVI)、有机前驱体浸渍裂解法(PIP),适合于大尺寸、复杂形状构件制备,但其制备周期长、成本较高,在一定程度上阻碍了C/SiC复合材料的应用和推广,特别是在民用领域.因此开发低成本的快速制备方法对陶瓷基复合材料获得广泛应用具有重要意义.渗硅工艺制备纤维增强陶瓷基复合材料具有周期短、无需特殊昂贵的设备等优点,因此渗硅工艺能够有效降低复合材料的制备成本.采用渗硅工艺制备的C/SiC复合材料游离硅含量较高,对复合材料的高温性能产生不利的影响.通过向复合材料预成型体中引入第二相陶瓷颗粒,利用陶瓷颗粒与树脂裂解碳之间存在的热膨胀系数不匹配而产生的热应力,在复合材料预成型体中生成部分微裂纹和微孔.这些微裂纹与微孔为熔融硅渗透提供扩散通道,有利于提高C/SiC复合材料的均匀性,降低游离硅含量.本论文通过向复合材料预成型体中引入SiC颗粒作为第二相,研究了SiC颗粒粒径对复合材料预成型体以及C/SiC复合材料结构及性能的影响.同时研究了不同工艺所制备的C/SiC复合材料的摩擦磨损性能.结果表明,通过向预成型体中引入SiC颗粒能够在复合材料预成型体中产生大量的微裂纹.添加纳米SiC颗粒(100nm)比添加微米SiC颗粒(10μm)所制备的复合材料具有更均匀的显微结构以及更优良的力学性能.通过采用含40wt%纳米SiC颗粒所制备的C/SiC复合材料抗弯强度为203MPa,而采用纯酚醛树脂溶液和含微米SiC颗粒浆料所制备C/SiC复合材料抗弯强度分别为116MPa和115MPa.在温和试验条件下,摩擦磨损实验结果显示:转速在低压力下对复合材料的摩擦磨损性能影响较大;压力升高,转速的影响较小,复合材料摩擦曲线平稳、摩擦系数波动小.压力在低速条件下是复合材料摩擦磨损性能的主要影响因素;转速升高,压力对复合材料摩擦系数影响甚微,但对复合材料的磨损率影响较大.湿态环境下,复合材料表面存在一层吸附水份的自润湿膜,使复合材料的摩擦曲线迅速趋于平稳.采用MM-1000摩擦磨损试验机在接近实际工况条件下对C/SiC复合材料进行刹车模拟时的刹车曲线显示,在初始转速4032r/min、压力0.8MPa时刹车曲线表现为典型的"马鞍形,,曲线,平均摩擦系数达到0.5,磨损率为5-6mg/次.湿态条件下平均摩擦系数为0.36,比干态条件下所需刹车时间略长.在复合材料表面施加抗氧化涂层,阻止氧化性气体与复合材料的接触,是提高复合材料抗氧化能力的有效方法.本论文采用浆料涂覆和不同渗硅工艺相结合的方法在纤维增强陶瓷基复合材料表面制备了ZrB_2-SiC复相涂层,并研究了不同制备条件对zrB_2-SiC复相涂层微观结构、抗氧化、耐烧蚀性能的影响.研究结果表明,不同的制备工艺将对ZrB_2-SiC复相涂层产生重要的影响.采用液相渗硅工艺(LSI)制备的复相涂层表面因为存在较厚的残留硅层,其表面比较光滑,同时涂层内部存在部分平行涂层方向的微裂纹.而采用气相渗硅工艺(VSI)所制备的复相涂层中游离硅含量相对较低,且涂层中无明显的微裂纹.从VSI法分别于1600℃/30min和1700℃/10min制备的ZrB_2-SiC复相涂层显微结构可以发现,1700℃/10min所制备涂层外层ZrB_2颗粒发生了长大,而1600℃/30min所制备涂层中ZrB_2分布均匀.1500℃静态氧化实验表明,采用VSI所制备ZrB_2-SiC复相涂层对C/C复合材料的保护效果明显优于采用LSI法所制备ZrB_2.SiC复相涂层.1500℃/64h氧化结果表明,在复合材料长时间高温氧化过程中,涂层中的Si将向复合材料基底扩散,在涂层、基底间形成RB-SiC(Reaction bond SiC)界面层,该界面层的形成将使涂层、基底间的结合由物理结合转化为化学结合,提高结合强度.1600℃/30min VSI工艺制备的ZrB_2一SiC复相涂层经氧化后深度约为10pm,其内层结构基本不发生变化.1700℃/10min VSI所制备涂层在氧化过程中演化为三层结构,外层为氧化形成的玻璃涂层、中间层ZrB_2聚集层、内层为Si扩散形成的RB-siC层.从等离子体风洞试验结果可知,采用气相渗硅工艺所制备的ZrB_2-SiC涂层在约3Ma、来流总温1800K条件下具有良好的耐烧蚀性能.但是当来流总温升高到 2300K时,烧蚀300s后涂层失效.通过不同工艺引入zrB_2相,探索性研究了渗硅工艺制备的C/siC-ZrB_2复合材料.两利复合材料的显微结构显示,通过颗粒浆料浸渍引入的超高温陶瓷相主要分布于纤维束间基体中,而通过前驱体浸渍法所引入的zrB_2相可进入纤维束内基体中.从渗硅反应后制备的超高温陶瓷基复合材料氧化实验可以发现,虽然通过前驱体浸渍法引入的ZrB2能够实现束问基体改性,但其氧化性能并末得到改善,因此需要进一步对渗硅工艺制备超高温陶瓷基复合材料工艺进行优化,以获得结构合理、性能优良的复合材料.