SiC基复合材料的发展现状及其应用.ppt
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1、SiC基复合材料的基复合材料的发发展展现现状及其状及其应应用用制作人:杜文献制作人:杜文献 姜少燕姜少燕 王丽芸王丽芸SiC基复合材料的发展现状及其应用SiC基复合材料基复合材料常用的制备方法常用的制备方法2 2 SiC基复合材料的应用基复合材料的应用3 3 发展现状,存在问题,发展建议发展现状,存在问题,发展建议4 4E-leaningE-leaning查找的参考文献查找的参考文献查找的参考文献查找的参考文献5 5 SiC基复合材料的简介基复合材料的简介1 1SiC基复合材料简介基复合材料简介 碳化硅作为一种具有优良特性的常用陶瓷材料,其高温强度及抗热震性能良好,密度低、硬度高、耐磨损、热膨
2、胀系数低及导热性好。,被认为是继 碳碳 复合材料之后发展起来的新型战略材料,可大幅度提高现有武器装备和未来先进武器装各性能。但是,断裂韧性低在一定程度上限制了该材料作为高温承力构件使用。向陶瓷材料中引入连续纤维增强体是提高材料断裂韧性最有效的方法之一。纤维增强基纤维增强基SiC基复合材料基复合材料 近年来近年来,纤维增强陶瓷基复合材料纤维增强陶瓷基复合材料(FRCMC)由于具有由于具有优良的性能在国内外引起了材料工作者的极大注意优良的性能在国内外引起了材料工作者的极大注意.其主其主要特点是要特点是:当材料受载裂纹扩展时当材料受载裂纹扩展时,具有高强度、高模量的具有高强度、高模量的纤维通过各种消
3、耗能量的途径纤维通过各种消耗能量的途径,防止材料发生灾难性的破防止材料发生灾难性的破坏坏,在一定程度上克服了单一陶瓷材料脆性断裂的缺点在一定程度上克服了单一陶瓷材料脆性断裂的缺点;同同时保留了陶瓷基体的耐高温、低膨胀、热稳定性好的特点。时保留了陶瓷基体的耐高温、低膨胀、热稳定性好的特点。纤维补强以其成本低廉及工艺简单而备受关注纤维补强以其成本低廉及工艺简单而备受关注,其增强其增强体可采用氧化铝纤维、硅酸铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维体可采用氧化铝纤维、硅酸铝纤维、碳化硅纤维、硼纤维和碳纤维等和碳纤维等,尤为集中在碳纤维和碳化硅纤维方面尤为集中在碳纤维和碳化硅纤维方面.但由于但由于这两者均存在高温氧
4、化问题这两者均存在高温氧化问题,使其应用受到一定的限制使其应用受到一定的限制.而而氧化物纤维则以其优良的高温抗氧化性能而成为最有前途氧化物纤维则以其优良的高温抗氧化性能而成为最有前途的补强复合材料用纤维。的补强复合材料用纤维。碳化硅基复合材料显微结构特点碳化硅基复合材料显微结构特点 复合材料中纤维和基体的分布状态如图 1所示。从图中可以看出,碳纤维束(黑色衬度区域)和碳化硅纤维束(右上角圆形的灰色衬度区域)并行排列,纤维束旁(左边)是纤维束间基体聚集区域。这种结构的形成主要由纤维编织体中纤维的排布形式决定。纤维编织过程中碳纤维和碳化硅纤维合股成一束进行编织。编织体中纤维束交叉处将形成较大的孔隙
5、结构。在 PIP致密化过程中第 1次循环采用含纳米 SiC浆料浸渍时,将交叉处的孔隙填充,形成基体聚集区。图图 3、4分别给出了抛光面上碳化硅纤维和碳纤维聚集区分别给出了抛光面上碳化硅纤维和碳纤维聚集区域的显微结构照片。可以看出域的显微结构照片。可以看出,在纤维束内存在部分气孔在纤维束内存在部分气孔,尤尤其在碳纤维束内。由于纤维堆积比较紧密其在碳纤维束内。由于纤维堆积比较紧密(采用的碳纤维每采用的碳纤维每束的单丝纤维数量更多束的单丝纤维数量更多),PIP循环过程中无论是浆料还是循环过程中无论是浆料还是 PCS溶液都难以完全浸渍到每个部位溶液都难以完全浸渍到每个部位,使得在纤维束内留下气使得在纤
6、维束内留下气孔。对比发现孔。对比发现,在图在图 1、2中的基体区域中的基体区域,几乎看不到明显的大几乎看不到明显的大气孔气孔,只有裂解时收缩产生的微裂纹在随后的只有裂解时收缩产生的微裂纹在随后的 PIP过程中被填过程中被填充充,形成条状的基体。形成条状的基体。纤维增强陶瓷基复合材料常用的制备方法纤维增强陶瓷基复合材料常用的制备方法 包括化学气相沉积法(CVI)、有机前驱体浸渍裂解法(PIP)、热压烧结法(HP)、反应烧结法(RS)以及上述方法组成的复合方法 其中 CVI 法是常用的方法,用 CVI 制备的材料具有密度低,均匀性较差等特点,于是发展了 FCVI 法,FCVI 是一种较新的工艺,它
7、具有得到的材料纯度较高,孔隙率降低等特点。材料所处的环境制约着其自身的性能,SiC 基复合材料有望在航空、航天、宇宙等环境下应用,因此,对 SiCf/SiC 性能的研究最近几年主要集中在 SiC 基复合材料的抗辐射性能,弯曲和断裂韧性,疲劳性能。采用先驱体液相浸渍工艺制备的复采用先驱体液相浸渍工艺制备的复合材料的断裂是典型的分层断裂合材料的断裂是典型的分层断裂;而采而采用热压工艺制备的复合材料则是明显的用热压工艺制备的复合材料则是明显的脆断脆断,说明采用热压工艺的复合材料的说明采用热压工艺的复合材料的层间结合比采用先驱体液相浸渍工艺的层间结合比采用先驱体液相浸渍工艺的复合材料的层间结合强复合材
8、料的层间结合强,这种强结合导这种强结合导致复合材料基体断裂时纤维也随之断裂致复合材料基体断裂时纤维也随之断裂,材料性能明显受制于基体的强度。材料性能明显受制于基体的强度。PIP 法的优点是可制备具有任何形法的优点是可制备具有任何形状的复合材料状的复合材料,并且可以获得优良的性并且可以获得优良的性能。其主要工艺过程是以纤维预制体为能。其主要工艺过程是以纤维预制体为骨架骨架,真空条件下排出纤维预制体中的真空条件下排出纤维预制体中的空气空气,采用溶液或熔融的有机聚合物前采用溶液或熔融的有机聚合物前驱体与陶瓷粉体配成的浆料浸渍驱体与陶瓷粉体配成的浆料浸渍,在惰在惰性气体保护下进行交联固化性气体保护下进
9、行交联固化(或晒干或晒干),然后在惰性气氛中进行高温裂解然后在惰性气氛中进行高温裂解;重复重复浸渍浸渍(交联交联)裂解过程裂解过程,使材料致密化。使材料致密化。制备纤维增强碳化硅基复合材料制备纤维增强碳化硅基复合材料1、原料 增强体主要为 H-i Nicalon 纤维,其主要性能为:拉伸强度 2 800 MPa,模量 300 GPa,密度 2.5 g/cm3,直径 14 Lm;先驱体聚碳硅烷(PCS)由本校纤维研究室提供,色泽淡黄,软化点为 170e 180e,陶瓷产率约 65%;SiC 微粉粒度 1。2、实验过程、实验过程 首先首先,将将 SiC 微粉、微粉、PCS 和二甲苯以一定比例混合和
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