连续纤维增强陶瓷基复合材料国外应用研究进展

连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMCs)因具有高比强、高比模、高可靠性、耐高温等优异性能,已成为航空航天、军事、能源等领域理想的高温结构材料。主要介绍了国外CFRCMCs在热防护系统、火箭发动机和超燃冲压发动机上应用的研究进展。

先驱体转化法制备低成本碳纤维增强陶瓷基复合材料研究

综述了影响碳纤维增强陶瓷基复合材料成本的主要因素 ,比较了采用不同先驱体原料和制备工艺制备的陶瓷基复合材料的制备周期、成本及性能 ,为先驱体转化制备低成本陶瓷基复合材料提供一些参考。

短切中空多孔碳纤维复合材料的吸波性能

以中空多孔聚丙烯腈(PAN)原丝为原料,通过预氧化处理和碳化处理工艺制备了中空多孔碳纤维,采用SEM和XRD对其微观结构和晶体结构进行了表征,并对其吸波性能进行了分析.研究结果表明,中空多孔碳纤维是一种非石墨结构的电损耗型雷达波吸收剂;随着短切中空多孔碳纤维体积分数的提高,随机分布的纤维/石蜡复合吸波材料的介电常数随之增大;用所得的电磁参数结果计算了不同厚度材料的反射率,在2～18GHz频率范围内,当体积分数为33.30%,厚度为2mm时,最低反射率为-21.36dB,其中<-5dB的反射率带宽为5.17GHz,<-10dB的反射率带宽为2.88GHz.

先进推进系统用主动冷却陶瓷基复合材料结构研究进展

主动冷却陶瓷基复合材料结构技术是一种新型热防护技术,它综合了耐高温材料与冷却结构各自优势,可显著提高构件热容限,降低单位质量,提高推重比,在超燃冲压发动机等先进推进系统上具有良好应用潜力,被认为是实现低成本、高可靠空间飞行的关键技术之一,得到美、法、德等国的积极研究,基于前期机理探讨及缩比件考核结果,目前正向全尺寸工程样机阶段过渡。其中,利用多种精细成型工艺在纤维增强陶瓷基复合材料(CMC)构件内部成型再生冷却流道或发汗冷却多孔结构的全CMC方案具有较高的先进性与可行性,代表了未来发展方向。

制备工艺对碳纤维增强碳化硅基复合材料结构和力学性能的影响

以化学气相沉积碳为界面层,聚碳硅烷为先驱体,经过10个周期的浸渍-裂解制备了三维编织碳纤维增强碳化硅复合材料(3D-Cf/SiC)。考察了碳涂层高温预处理和陶瓷先驱体第一个周期1600℃裂解对复合材料结构与性能的影响。结果表明:碳涂层高温预处理有助于复合材料密度的提高,弱化了复合材料的界面结合,从而显著提高了复合材料的力学性能,复合材料弯曲强度达到571 MPa,剪切强度51 MPa,断裂韧性18 MPa.m1/2。

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。

纤维排布方式对KD-I/SiC复合材料性能的影响

采用国产KD-I型SiC纤维为增强体,通过先驱体转化工艺制备了SiC/SiC复合材料。研究了二维织物和针刺毡等纤维排布方式对复合材料显微结构和物理以及力学性能的影响。结果表明,与针刺毡增强SiC/SiC复合材料相比,2DSiC/SiC复合材料的纤维体积分数和密度较高、孔隙率低、所需制备时间短、成本低、面内性能好,但同时损失了Z向性能。在不同工况下应用的SiC/SiC复合材料应根据具体使用要求来选择纤维排布方式。

C_f/SiC陶瓷基复合材料的制备工艺研究

以先驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备了2DCf/SiC复合材料,研究了低温裂解工艺(裂解温度低于1000℃)对2DCf/SiC复合材料结构和性能的影响,为Cf/SiC复合材料的低温制备探索可行之路。研究表明,采用900℃裂解工艺制备的复合材料其力学性能达到或高于目前同类工艺制备的2DCf/SiC复合材料力学性能,其弯曲强度达到329.6MPa,剪切强度32.1MPa,断裂韧性14.7MPa·m1/2。并采用差热(TG-DTA)、红外光谱(IR)、X射线衍射(XRD)等对先驱体聚碳硅烷(PCS)及其低温裂解产物的结构和性能进行了研究。

以聚硅氧烷为先驱体制备Al-SiC_p/Si-O-C陶瓷复合材料

以聚硅氧烷为先驱体,SiC为惰性填料,Al为活性填料,考察了活性填料Al在聚硅氧烷转化制备Si O C复合材料中的应用。研究发现:600℃时,活性填料Al能与聚硅氧烷裂解产生的含碳小分子气体反应生成Al4C3,800℃时能与N2反应生成AlN;这2个反应同时伴有体积膨胀,能有效弥补聚硅氧烷裂解时的线收缩。活性填料Al的引入能起到增强作用;含20%Al(体积分数)的SiC/Si O C复合材料的弯曲强度是不含Al的1.36倍;活性填料Al的引入能显著改善SiC/Si O C复合材料的耐高温和抗氧化性能,但不能提高其抗热震性能。

纤维织构对C_f/SiC复合材料结构和性能的影响

以先驱体浸渍裂解工艺制备了Cf/SiC复合材料,在相同工艺条件下,研究了四种纤维织构:2.5D,三维四向,三维五向,三维六向对复合材料结构和性能的影响。研究结果表明,2.5D纤维织构的复合材料,其力学性能优于其它三种织构的复合材料,2.5D织构的复合材料弯曲强度达到了406.25MPa,三维四向织构复合材料弯曲强度只有128.80MPa,三维五向织构复合材料159.74MPa,三维六向织构复合材料150.42MPa,并结合纺织学的结构理论对这种影响进行了剖析。

不同织构纤维增强SiC基复合材料的抗损伤性能

以四种织构纤维编织体(2.5D,三维四向,三维五向,三维六向)增强的SiC基复合材料为研究对象,研究不同织构纤维编织体损伤给复合材料结构带来的影响,并从纺织学角度分析此种现象。结果表明,2.5D织构纤维编织体结构整体性较好,在表层纤维受损的情况下,依旧保持良好的三维整体性,所制备复合材料抗损伤性良好。而三维四向、三维五向和三维六向织构纤维编织体结构整体性较差,在表层纤维受损的情况下,纤维编织体的整体性遭到致命破坏,复合材料出现低应力断裂,抗损伤性很差。

先驱体转化法制备2D C_f/SiC-Cu复合材料及其性能

针对固体火箭发动机喉衬的使用工况,提出在Cf/S iC体系中引入Cu,通过Cu发汗降低材料表面温度以提高材料的抗烧蚀性能。采用先驱体转化法制备了铜体积分数分别为2.18%、4.86%和6.53%的新型复合材料,同时考察了其力学性能和烧蚀性能。结果表明,随着铜含量的增加复合材料试样的弯曲强度逐渐下降,分别为261.07M Pa、203.61M Pa、164.91M Pa;试样的断裂韧性也逐渐下降,分别为13.4M Pa.m1/2、12.5M Pa.m1/2、11.8M Pa.m1/2。三种复合材料试样在氧乙炔焰烧蚀30s后,试样结构均保持完整,弯曲强度分别下降到121.16M Pa、140.23M Pa、122.87M Pa,质量烧蚀率分别为0.036g/s、0.050g/s、0.064g/s。与其他喉衬材料相比,2D Cf/S iC-Cu材料密度低、力学性能和抗烧蚀性能好,具有良好的应用前景。

热模压辅助先驱体浸渍裂解制备C_f/SiC复合材料研究

以聚碳硅烷为先驱体,采用热模压辅助先驱体浸渍裂解工艺制备3D-BCf/SiC复合材料,研究了热模压辅助对3D-BCf/SiC复合材料致密度和力学性能的影响。结果表明:先驱体浸渍裂解制备陶瓷基复合材料第一次浸渍后引入高温热模压工艺可以改善材料微观结构,显著提高材料的致密度和力学性能。其中1600℃,10MPa,1h下热模压辅助先驱体浸渍裂解6次制备的3D-BCf/SiC复合材料的密度为1.79g/cm3,弯曲强度高达672MPa,断裂韧性达18.9MPa·m1/2,剪切强度接近50MPa,且具有较好的抗热震性和高温抗氧化性。

SiCf/SiC复合材料界面相研究进展

分析了连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMCs)中界面相类型以及各界面相在CFRCMCs中的作用,综述了热解碳(PyC)、氮化硼(BN)、难熔氧化物以及复合界面相在SiCf/SiC复合材料中的应用现状,最后展望了SiCf/SiC复合材料界面相的发展方向。

不同碳黑填料含量2D-SiC_f/SiC复合材料介电及雷达吸波性能研究

对先驱体浸渍裂解工艺（PIP）制备的含碳黑填料2D—SiCf／SiC复合材料介电以及雷达吸波性能进行研究。研究表明，由于KD-I型SiC纤维表面具有连续碳涂层，不能直接用于吸波材料，需通过空气热处理手段将其除去。对纤维表面去碳后制成的不同碳黑填料含量2D．SiCf／SiC复合材料微波介电常数进行测试，结果表明，随碳黑含量增加，复合材料介电常数明显增大，但由于碳黑的高比表面和先驱体溶液粘度的限制，复合材料中碳黑体积分数最大仅能达到7％～8％，介电常数难以继续增大，介电损耗低于0．3，并且介电常数频散效应不理想。对不同碳黑填料含量复合材料反射率进行计算，结果表明，单层复合材料在某一频段内具有较好的吸波性能，但由于复合材料介电常数频散效应较差，宽频吸波性能不理想，采用不同吸收剂含量复合材料层铺工艺可能可以解决吸波性能带宽问题。

先驱体转化法制备Si-B-N-C陶瓷纤维及表征

以聚硼硅氮烷为先驱体，经熔融纺丝、不熔化处理及氮气中高温热解、烧结得到Si—B—N．C陶瓷纤维．利用元素分析、FTIR、XRD、高温热重分析等手段对Si—B—N—C纤维的组成、结构以及高温稳定性和抗氧化性等进行了表征．结果表明，纤维主要由Si3N4，BN和SiC等相组成，其室温抗拉强度为2．1GPa，弹性模量为230GPa，具有很好的非晶稳定性和高温抗氧化性，惰性气氛中可保持非晶至1700℃，空气中加热至1100℃以下时无增重，在1100～1400℃温度范围内增重约3．3％．

聚变堆用SiCf／SiC复合材料的研究进展

回顾了聚变堆用SiC_f/SiC复合材料制备工艺的最新研究进展,介绍了SiC_f/SiC复合材料的力学性能、抗辐照性能、气密性、热稳定性、化学相客性等方面的性能及其连接技术并进行了总结和展望。

连续陶瓷纤维制备技术的研究进展

作为先进复合材料的增强剂，高性能陶瓷纤维日益引起材料研究人员的广泛关注，并导致了纤维制备技术的不断发展。与早期的物理成形技术和化学气相合成技术相比，先驱体转化法具有易于制备细径纤维、组成结构可调的优点，是目前研究与开发的重点，其中溶胶－凝胶法比较适合制备氧化物陶瓷纤维，而有机聚合物转化法则比较适合制备非氧化物陶瓷纤维。

SiC微粉含量对2D-SiC_f/SiC复合材料力学性能影响

对PIP法制备2D-SiCf/SiC复合材料成形浆料中惰性填料SiC含量对2D-SiCf/SiC复合材料孔隙率、纤维体积分数以及力学性能影响进行研究。研究表明,SiC微粉含量较低时,浆料粘度过低,导致层间存在较大气孔,纤维体积分数不高,致使复合材料力学性能不佳,当SiC微粉含量过高时,浆料粘度过大,层间基体厚度增加,纤维体积分数下降,并且浸渍效率降低,孔隙率增大,复合材料力学性能下降。当SiC微粉含量为33.3%时,复合材料具有较低的孔隙率和较高的纤维体积分数,复合材料具有较好的力学性能,弯曲强度和断裂韧性分别达到211.7MPa和8.56MPa.m1/2。

Cf/SiC复合材料制备工艺研究

结合材料复合过程中纤维编织体易变形的问题,系统研究了复合材料制备过程中编织体变形的规律,以及对所制备复合材料结构和性能的影响。通过实验研究发现,编织体体积控制有利于复合材料增强体纤维的均匀分布,实现复合材料结构和性能的均一化,有利于复合材料整体性能的提高,并且,编织体体积控制有利于提高复合材料的致密化速率,最终获得高致密度、高性能的复合材料。