碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料

碳纤维增强陶瓷基复合材料

摘要：碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料具有密度低、高强度、高韧性和耐高温等综合性能已得到世界各国高度重视，本文将对有关碳纤维增强碳化硅陶瓷的有关信息简单介绍。 关键词：陶瓷基复合材料，碳纤维增强。

1.引言

碳化硅陶瓷因具有高强度、高硬度、抗腐蚀、耐高温和低密度而被广泛用于高温和某些苛刻的环境中,尤其在航空航天飞行器需要承受极高温度的特殊部位具有很大的潜力。但是,陶瓷不具备像金属那样的塑性变形能力,在断裂过程中除了产生新的断裂表面吸收表面能以外,几乎没有其它吸收能量的机制,这就严重限制了其作为结构材料的应用。碳纤维具有比强度高、比模量大、高温力学性能和热性能良好等优点,在惰性气氛中2000℃时仍能保持强度基本不下降。用碳纤维增强碳化硅复合材料,材料在断裂的过程中通过纤维拔出、纤维桥联、裂纹偏转等增韧机制来消耗能量,使材料表现为非脆性断裂。Cf/SiC复合材料综合了碳纤维优异的高温性能和碳化硅基体高抗氧化性能,受到了世界各国的高度关注,并广泛应用在航空、航天、光学系统、交通工具等领域。

2. 碳纤维材料简介

2.1碳纤维简介

碳纤维是有机纤维或沥青基材料经谈话和石墨处理后形成的含碳量在85%以上的碳素纤维，是20世纪50年代为满足航空航天等尖端领域的需要而发展起来的一种特种纤维。目前，碳纤维的生产原料分为三大体系：聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维。其中聚丙烯腈基碳纤维由于原料资源丰富，含碳量高及碳化率高，成本低，正在被重视。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景，综观多种新兴的复合材料(如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能，不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。

2.2增强相碳纤维的研究

虽然我国研制碳纤维已有30余年的历史,但仅初步建立起工业雏形,生产的碳纤维质量至今仍处于低水平,关键原因是碳纤维原丝质量没有过关。碳纤维的性能在很大程度上取决于原丝的质量。原丝缺陷如表面横向裂纹、横向褶皱、轴向裂纹、皮芯结构、表面沉积物、并丝等都会“遗传”给碳纤维,使力学性能下降。因此,要想生产出质量高且性能稳定的碳纤维,今后必须加强对高性能碳纤维原丝的研究。碳纤维与基体间存在一系列界面问题:如界面润湿性差,化学、物理相容性差等,极大地影响着复合材料的力学性能,且碳纤维未经表面处理前,其活性比表面积小(一般小于1 m² /g) ,表面能低,表面呈现出憎液性,限制了碳纤维高性能的发挥，为了提高碳纤维的表面化学活性,增强碳纤维表面与基体的结合能力,进而提高复合材料的性能,对碳纤维进行表面处理是很有必要的。目前,碳纤维表面改性处理主要有表面氧

化处理、表面涂层处理、表面生长晶须等方法。在研究的诸多碳纤维表面处理方法中,空气氧化法简单,耗时少,但操作弹性小,氧化反应不易控制;液相氧化法主要是采用硝酸、酸性重铬酸钾、次氯酸钠等强氧化性液体,对碳纤维表面进行处理,处理比较温和,不过耗时较长;电化学氧化法简单易操作,处理条件温和并易于控制,处理效果明显。表面涂层处理是对碳纤维表面沉积一层无定形碳来提高其界面粘结性能,多采用气相沉积技术,操作较复杂,周期长[1]。

王毅强等[2]为了改善纤维与基体界面的结合状态,研究了表面处理对C /SiC单向复合材料力学性能的影响。结果表明,经过1800 ℃处理后的纤维表面粗糙度变大,表面沟槽加深,复合材料的拉伸强度是未经表面处理纤维复合材料拉伸强度的2. 4倍;纤维表面沉积热解炭后表面粗糙度减弱,其拉伸强度是未经表面处理纤维复合材料的3. 1倍;两者联合作用时纤维表面光滑,拉伸强度最高,达708 MPa。徐先锋等[3]对去胶聚丙烯腈炭纤维分别进行不同时间的硝酸液相氧化处理,发现氧化处理会使纤维表面产生大量的孔洞,增加BET比表面积和BJH累积孔体积,提高表面吸附能力;在氧化初期,伴随着纤维表面大量活化点的迅速氧化,纤维表面微孔、中孔数量、表面粗糙度、比表面积和累积孔体积迅速增加,使纤维表面吸附能力大大增强, 但在氧化5 min以后,由于纤维表面尖锐突起处发生氧化,从而减少了纤维表面微孔,比表面积和累积孔体积降低,表面吸附能力减弱。

单一的表面处理常常在提高某方面性能的同时,牺牲了另一方面的性能,而复合表面处理法则可适当调和所采用的几种表面处理方法的优缺点,必将成为今后碳纤维表面处理的主要研究方向。

3. Cf /SiC复合材料制备技术

纤维增韧陶瓷基复合材料的性能取决于各组分的性能、比例以及纤维结构。复合材料的显微结构在很大程度上取决于复合材料的制备工艺。目前, Cf /SiC复合材料的主要制备方法有:热压烧结法、先驱体转化法、化学气相渗透法、反应熔体浸渗法和一些改进的综合工艺。

3.1热压烧结法

热压烧结法(hot p ressure sintering, HP)又称为料浆浸渍热压法。其主要工艺如下:让纤维通过一个含有超细基体陶瓷粉末的料浆容器使之浸渍,然后将浸挂料浆的纤维缠绕在卷筒上,烘干、切断,得到纤维无纬布,将无纬布按所需规格剪裁,层叠在一起,最后热模压成型和热压烧结后制得复合材料[4]。热压烧结的目的是使陶瓷粉末在高温压力作用下发生重排,通过烧结或玻璃相粘滞流动填充于纤维之间的孔隙中,达到致密化。

3.2先驱体转化法

先驱体转化法又称聚合物浸渍裂解法(p recursor infiltration pyrolysis, P IP)是近年来发展的新工艺和新技术。它是将含Si的有机聚合物先驱体(如聚碳硅烷、聚甲基硅烷等)溶液或熔融体浸渍到碳纤维预制体中,干燥固化后在惰性气体保护下高温裂解,得到SiC基体。先驱体转化法的优点是可制备形状比较复杂的异型构件;裂解时温度较低,材料制备过程中对纤维造成的热损伤和机械损伤比较小。但在裂解的过程中有大量的小分子溢出,导致孔隙率很高,难以获得致密的陶瓷基复合材料;且从有机先驱体转化为无机陶瓷过程中材料体积收缩大,收缩产生的微裂纹与内应力均使材料性能降低。另外,为了获得致密度较高的复合材料,必须经过多次浸渗和高温处理,制备周期长[5]。

3.3化学气相渗透法

化学气相渗透法( chemical vapor infiltration, CV I)始于20世纪60年代,是在化学气相沉积(CVD)的基础上发展起来的一种制备新技术。两者的区别在于CVD主要从外表面开始沉积,而CV I则是通过孔隙渗入到预制体内部沉积。对于Cf /SiC复合材料的CV I制备工艺通常以三氯甲基硅烷(MTS) 、四甲基硅烷( TMS)等为原料, H2 为载气,Ar为稀释气体,高温下

抽真空沉积SiC基体[6]。徐永东等[7]采用以MTS为原料, H2为载气,控制H2 和MTS物质的量比10∶1,沉积温度为1100 ℃的CV I工艺成功制备出了密度为2. 1 g/ cm3的Cf /SiC复合材料, Cf /SiC不仅具有较高的强度,而且表现出优异的韧性和类似金属的断裂特征。

3.4反应熔体浸渗法

反应熔体浸渗法( reactive melt infiltration, RM I)起源于多孔体的封填和金属基复合材料的制造。采用RM I法制备Cf /SiC复合材料主要 …… 此处隐藏：4891字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……