新型浆料注射法制备C/C复合材料的显微组织及力学性能

采用浆料注射法将天然鳞片石墨粉添加到纤维预制体中,并结合化学气相渗透工艺(CVI)制备C/C复合材料。通过X射线无损检测、扫描电镜、偏光显微镜和材料力学性能测试,研究石墨浆料注射对C/C复合材料显微组织与力学性能的影响。结果表明:石墨浆料注射可将石墨引入到纤维预制体中,替代部分热解炭,并为热解炭提供新的形核位点和沉积表面,加速CVI致密化进程;且石墨的加入有利于粗糙层热解炭的形成,提高材料的可石墨化度。经80 h等温CVI制得密度为1.68 g/cm^3的C/C复合材料,抗弯强度为69.07 MPa,与传统等温CVI工艺相比,抗弯强度相近,平均增密速率提高近3倍;热解炭将纤维和石墨连成一个整体,材料表现出一定的假塑性断裂。

浆料注射法制备C_(f)/SiC-ZrC复合材料的力学和抗氧化性能

以SiC粉和ZrC粉为原料,配制固含量体积分数为30%的水基陶瓷浆料,分别采用浆料注射法和真空浸渍法将浆料引入到密度为0.2 g/cm^(3)的碳纤维预制体中,结合化学气相渗透和反应熔渗工艺制备C_(f)/SiC-ZrC复合材料。观察分析素坯和C_(f)/SiC-ZrC复合材料的形貌与组织结构,测定复合材料的密度、开孔率、抗弯强度和抗氧化性能等。结果表明,相比真空浸渍法,浆料注射法能一次将SiC粉和ZrC粉均匀引入碳纤维预制体中,坯体体积一次填充率为37.3%。注射法制备的复合材料平均密度为2.91 g/cm^(3),中心和外层的抗弯强度相差较小,分别为41.12 MPa和43.90 MPa,材料的断裂方式均表现为假塑性断裂。样品在空气中氧化120 min后,表面形成较连续致密的氧化层,氧化趋于平衡稳定,表现出较好的抗氧化性能。

不同SiC源对Cf/ZrB2–SiC复合材料微结构和力学性能的影响

采用新型浆料注射/真空浸渍工艺实现了超高温陶瓷组分与碳纤维的有效复合,并结合低温(1 450℃)热压烧结实现了Cf/ZrB2-SiC复合材料的制备。研究了不同SiC源(SiC粉体和聚碳硅烷PCS)对复合材料微结构和力学性能的影响,结果表明:基于聚碳硅烷优异的流动性实现了陶瓷组分在纤维束内和束间的有效填充,并经低温热压烧结后Cf/ZrB2-PCS复合材料的相对密度为91.3%,主要归结于聚碳硅烷裂解后残留的微量无定性碳起到了表面除氧的作用而促进致密化,但该无定性碳弱化了晶界强度而导致力学性能降低。同时Cf/ZrB2-PCS复合材料表现出非脆性断裂模式且断裂功高达539 J/m^2,较Cf/ZrB2-SiCp复合材料提升高达84.6%;该复合材料断裂功的提升主要归结于裂纹偏转、裂纹分叉和纤维桥联等多种增韧机制的协同效应,大幅度改善了ZrB2基超高温陶瓷材料的损伤容限和可靠性。