多孔碳陶瓷化改进反应熔渗法制备陶瓷基复合材料研究进展

连续纤维增强陶瓷基复合材料具有高强韧、耐氧化的特性,现已成为航空航天领域重要的高温结构候选材料。反应熔渗法可实现陶瓷基复合材料的大规模、短周期和低成本制备,是目前最具有商业化前景的技术之一。然而,传统反应熔渗法制得陶瓷基复合材料存在着基体碳残留、纤维刻蚀等问题,导致材料力学与氧化-烧蚀性能不佳。为突破传统碳基体陶瓷化程度低的局限性,相关研究人员采用碳基体孔结构构筑方法,通过多孔碳基体取代传统熔渗预制体中致密碳基体,以促进碳基体的陶瓷化转变及反应熔体的消耗,进而实现陶瓷基复合材料的性能优化。本综述介绍了采用多孔碳陶瓷化策略制备SiC陶瓷、SiC/SiC复合材料、C/SiC复合材料及超高温陶瓷基复合材料的相关研究进展,并且通过与传统反应熔渗法对比,验证了多孔碳陶瓷化策略的优势,同时总结了相关多孔碳基体制备方法的发展演变过程,最后针对先进陶瓷基复合材料的基础理论与工艺技术需求,对多孔碳陶瓷化改进反应熔渗法的未来发展方向进行了展望。

退火对熔渗法制备W/Y_(2)O_(3)-Cu复合材料组织和性能的影响

在1 250℃熔渗3 h制备了W/Y_(2)O_(3)-Cu复合材料,在700~1 000℃不同温度下对其进行高温退火处理,通过SEM对退火后复合材料表面和断口形貌进行表征,采用维氏硬度计、He检漏仪、激光导热仪、热机械分析仪和弯曲力学性能试验机对退火后复合材料的性能进行检测。研究结果表明:退火后复合材料与未退火样品具有相同的组织均匀性,退火降低了组织中的残余应力,使得W/Y_(2)O_(3)-Cu复合材料的热导率得到明显改善;退火对复合材料的热膨胀系数影响很小。900℃退火1h后W/Y_(2)O_(3)-Cu复合材料的热导率提升至最高197.67W/(m·K),热膨胀系数为6.9×10^(-6)/K,室温弯曲强度为1 169.7 MPa。

SiCp/Al复合材料的离心熔渗法制备及其性能

研究了反应离心熔渗法制备高体积比SiCp/Al复合材料的工艺过程及其抗弯强度。结果表明 :通过适当的粒度配比 ,可在低温、低离心力下熔渗制备组织均匀的高体积比SiCp/Al复合材料 ,SiC颗粒体积分数可达到 63 % ;复合材料的强度在很大程度上依赖于SiC颗粒尺寸及界面反应程度 ,合适的界面结合及细SiC颗粒的掺入有利于复合材料强度的提高 ;基体热处理改变了SiC颗粒所受应力状态 ,提高了复合材料的强度 ,其最高值可达 5 19MPa。

反应熔渗法制备C／C-SiC材料的组织结构及性能

采用液相气化热梯度CVI法制备C/C材料,并通过反应熔渗法制备出密度为2.13～2.28g/cm3的C/C-SiC复合材料。用X射线衍射仪和光学显微镜分析C/C-SiC的显微组织结构,并对其力学性能(弯曲强度、压缩强度、硬度、断裂韧性)和摩擦磨损性能进行了研究。结果表明:反应熔渗法制备的C/C-SiC材料由C、SiC和Si组成;C/C多孔体的密度越低,得到的C/C-SiC材料密度越高。石墨化处理使C/C-SiC材料的弯曲强度由203～275MPa降低到150～210MPa,压缩强度由463～607MPa降低到403～536MPa,但材料的断裂韧性由6.6～8.5MPa·m1/2提高到7.3～9.2MPa·m1/2。在C/C-SiC盘与SiC销配对的滑动摩擦试验中,摩擦系数为0.19;石墨化处理可使摩擦系数降低到0.14～0.15,但平均体积磨损速率由3.4×10-3～5.0×10-3mm3/h增大到7.9×10-3～9.8×10-3mm3/h。

C／C-SiC复合材料的反应熔渗法制备与微观组织

采用无压反应熔渗法在1 550℃下将熔融Si或Si0.9Zr0.1浸渗入多孔C/C预制体中制备了高致密的C/C-SiC复合材料。系统研究了多孔C/C预制体中酚醛树脂热解碳(PIP-C)和化学气相渗透碳(CVI-C)对反应熔渗Si或Si0.9Zr0.1的浸渗行为、反应程度、物相成分和微观组织的影响。结果表明:熔融Si或Si0.9Zr0.1完全渗入到相邻碳纤维束间的大孔和碳纤维形成的小孔中,多孔PIP-C/C预制体较易浸渗,且反应较充分,熔渗Si0.9Zr0.1后复合材料中除了生成大量SiC外,还有少量ZrC和ZrSi2生成,未发现游离Si。多孔PIP-C/C预制体中部分碳纤维与熔体反应,损伤纤维,而多孔CVI-C/C预制体中的沉积碳仅与熔体反应生成了一薄层,很好地保护了碳纤维,保持了碳纤维的高性能。提出反应熔渗制备C/C-SiC复合材料的形成机制:由初期的溶解-沉淀控制和后期的C向SiC层扩散控制为主。

反应熔渗法制备C/C-ZrC复合材料的微观结构及烧蚀性能

采用反应熔渗法(reactive melt infiltration,RMI)制备ZrC改性多孔C/C复合材料,研究不同孔隙度的C/C多孔体在熔渗过程中的增密行为和渗Zr后的相组成及微观形貌,探寻具有最佳熔渗效果的C/C多孔体,并研究所得C/C-ZrC复合材料在不同温度下的氧乙炔焰烧蚀行为。结果表明,随C/C多孔体密度增加,C/C-ZrC复合材料的密度降低;其中密度为1.40 g/cm3的多孔体熔渗效果最佳,开孔隙率由熔渗前的28.2%降低到6.6%。;熔渗的Zr液易与网胎层处的炭纤维和基体炭反应,生成的ZrC陶瓷相主要分布在原网胎层位置。择取原始密度为1.40 g/cm3的C/C多孔体熔渗后进行60 s的氧乙炔焰烧蚀实验,在3 000℃下的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.003 3 mm/s和0.004 2 g/s,在2 500℃下的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.008 0 mm/s和0.009 0 g/s,C/C-ZrC复合材料在3 000℃下的抗烧蚀性能明显优于2 500℃下的抗烧蚀性能。

反应熔渗法制备纳米MoSi_2-SiC复合材料

运用Mo+C坯体反应溶渗法,可以得到MoSi_2-SiC复合材料,其基体相晶粒尺寸为150～600nm,反应生成的SiC相分布均匀,大小为30～160nm之间.该纳米MoSi_2-SiC复合材料强度为214.8MPa,断裂韧性为4.1MPa·m^(1/2),力学性能远高于单相材料.透射电镜研究表明,在复合材料中存在大量的层错和一些位错,也有孪晶存在.

熔渗法制备的钨铜复合材料及其显微组织

采用粉末预处理、添加诱导铜粉和还原气氛下熔渗的方法制备了用于电子封装/热沉的钨铜金属基复合材料。对比了不同工艺条件下采用熔渗法制备的钨铜复合材料的显微组织,并讨论了钨粉粒径、添加诱导剂等不同工艺条件对钨铜复合材料组织的影响。实验结果表明,当钨粉粒径为5～9μm,诱导铜粉粒径-500目时,经预烧结与熔渗过程得到的钨铜复合材料具有较高的组织均匀性和相对密度及良好的物理性能。

熔渗法制备颗粒增强铝基复合材料的工艺评述

本文介绍了合金熔体自浸渗法制备颗粒增强铝基复合材料的工艺原理 ,总结讨论了各种不同类型熔渗工艺的特点 。

C/C复合材料表面反应熔渗法制备SiC-ZrC涂层的组织与结构

采用反应熔渗法(RMI)在密度为1.6 g/cm3的C/C复合材料上制备厚度为20~50μm的SiC-ZrC涂层。研究SiC-ZrC涂层结构以及涂层与C/C复合材料的界面相组成。结果表明:4种不同比例混合后的Zr,Si,C和ZrO_2粉末反应熔渗得到的样品涂层表面质量较好,由于反应过程先达到Si的熔点生成SiC,随着温度升高,当Zr和Si都熔融后,生成ZrC的吉布斯自由能低于SiC,故涂层由内到外呈现SiC-ZrC-SiC的三层结构,所有样品内部都熔渗了不同深度的ZrC和SiC。在偏光显微镜下SiC呈现黄绿色块状和粒状,ZrC呈现灰白色块状;粉末熔体通过共晶反应生成的Si,ZrSi_2,Zr和Zr_2Si与原料中的C以及热解炭反应最终生成SiC和ZrC,反应最终残留物中并没有发现ZrO_2。

钨粉粒径对熔渗法制备的CuW触头材料硬度的影响

本文研究了钨粉粒径对熔渗法制备 Cu W触头材料硬度的影响。结果表明 :钨粉粒径过大时 ,会降低 Cu W触头材料的硬度 ;钨粉粒径过细小时 ,易在 Cu W触头材料中产生铜的富集 ;钨粉粒径 5～

无压熔渗法制备Ni3Al/TiC陶瓷基复合材料工艺研究

研究了采用自蔓延高温反应合成的预制件TiC-Ni3Al与金属间化合物Ni3Al的浸润性、渗透性和渗透动力学。采用SEM、EDS、XRD和金相显微镜等测试分析手段,对复合材料的组织进行分析,探讨了预制型成型无压熔渗浸渗工艺参数对Ni3Al/TiC复合材料成型的影响。结果表明,金属间化合物Ni3Al与预制件TiC-Ni3Al具有很好的浸润性,在一定温度条件下可形成致密无缺陷的组织;Ni3Al与预制件TiC-Ni3Al在熔渗过程中保持各自的化学稳定性,在渗透过程中无新相产生;Ni3Al在预制件TiC-Ni3Al中的渗透深度与渗透时间呈抛物线关系,渗透速度随渗透时间延长而降低,且随预制件相对密度增大而降低。

熔渗法制备Mo/Cu系梯度功能材料的研究

设计并用熔渗法制备Mo/Cu系多层新型密度梯度材料 ,观察Mo/Cu系梯度材料的显微组织并分析烧结熔渗过程。过渡层密度从 8.9g/cm3至 9.9g/cm3沿厚度呈准连续变化 ,热导率和电导率介于Mo与Cu之间且更接近与Cu。在富Cu侧主要是靠熔化的Cu进行液相烧结 ,固相Mo颗粒弥散在铜的基体中。而在富Mo侧 ,晶界扩散和体积扩散机制占主导。梯度层硬度随铜含量增加呈线性降低 ,当Cu≥ 60 %时 ,硬质相Mo的作用几乎丧失。

熔渗法制备陶瓷/金属结合剂CBN砂轮及磨削性能研究

通过改变尿素造孔剂的添加量制备了不同孔隙率的陶瓷结合剂CBN砂轮坯体,再以CuSn;为熔渗剂制备了陶瓷/金属复合结合剂CBN砂轮,并将复合结合剂CBN砂轮应用于INCONEL713系镍基高温合金叶片轴的外圆沟槽磨削。结果表明:随着尿素造孔剂添加量的增加,多孔陶瓷结合剂CBN砂轮坯体的气孔率不断升高,经过CuSn_(33)熔渗后制备的陶瓷/金属结合剂CBN砂轮样品的气孔率随着造孔剂添加量的增加呈现先下降后上升的趋势,当尿素造孔剂添加量为20 wt.%时,熔渗后样品的抗弯强度达到最大值184.2 MPa。采用熔渗法制备的陶瓷/金属结合剂CBN砂轮磨削加工INCONEL713系镍基合金零件时,陶瓷/金属结合剂CBN砂轮的形状保持性好,加工工件的表面粗糙度R_(a)值低于陶瓷结合剂CBN砂轮加工零件的值,其使用寿命达到了陶瓷结合剂CBN砂轮的2.3倍。

多晶立方氮化硼在高压熔渗法烧结过程中的晶界键合机理研究

为了探究多晶立方氮化硼（PCBN）在高压熔渗法烧结过程中的晶界键合机理，分别采用高压熔渗法和混合法，在烧结压力5．0～5．5GPa，温度1300～1600℃，加热时间10～15min条件下，对立方氮化硼（CBN）的烧结行为进行对比研究，并对烧结后的样品进行X射线衍射（XRD）物相分析，扫描电镜（SEM）分析和硬度测试。实验结果显示：在压力为5．5GPa，温度为1500℃条件下，利用熔渗法烧结的PCBN样品中出现了大量的CBN—CBN晶粒间键合；在同等压力温度条件下，利用熔渗法烧结样品的维氏硬度可达到CBN单晶硬度（45～50GPa）的80％以上，明显高于利用混合法烧结的样品。通过上述PCBN高温高压烧结行为的对比研究，系统分析高压熔渗法烧结过程中的CBN晶界键合机理。高压熔渗法有利于高温高压下CBN晶粒的塑性形变和晶粒间孔隙闭合，在CBN晶粒相互挤压处形成局部高应力区，从而在Si熔媒渗入CBN层后促进CBN—CBN晶粒间的键合。

合金上置熔渗法制备Al_2O_3/Al复合材料

采用合金上置熔渗法制备Al2O3/Al复合材料,观测组织结构和相组成,分析助渗工艺及气氛的作用。结果发现,破坏铝合金液表面氧化膜是浸渗进行的关键因素,在合金底面添加Al2(SO4)3粉末,高温下分解放出大量气体,可以冲破底面Al2O3膜,使浸渗得以进行。采用氮气气氛保护有利于获得组织致密、相间界面结合良好的复合材料。

熔渗法合成金属结合剂金刚石烧结体的研究

本文采用熔渗法和混合法进行了合成金属结合剂金刚石烧结体的对比实验；对实验结果进行了讨论；研究了金刚石的粒度对烧结体磨耗比的影响；

熔渗法制造铜钨系触头中熔渗时间的确定

本文从理论上推导了熔渗法制造铜钨系触头时熔渗时间和毛坯高度之间的关系 h=kt1 /2 ,并以Cu W70为例具体说明了用实验来确定 h=kt1 /2中系数

无压熔渗法制备Ni3Al/TiC陶瓷基复合材料工艺研究

通过研究自蔓延高温反应合成的预制件TiC-Ni3Al与金属间化合物Ni3Al的浸润性、渗透性能和渗透动力学,采用SEM、EDS、XRD和金相显微镜等测试分析手段,对复合材料的显微组织进行分析,探讨复合材料熔渗过程中组织的演化形成、组织和性能的关系以及复合物强化机制等。结果表明金属间化合物Ni3Al与预制件TiC-Ni3Al具有很好的浸润性,在一定温度条件下可形成致密无缺陷的组织。Ni3Al与预制件TiC-Ni3Al在熔渗过程中保持各自的化学稳定性,在渗透过程中无新相产生。Ni3Al在预制件TiC-Ni3Al中的渗透深度与渗透时间呈抛物线关系,渗透速度随渗透时间的增加而降低,且随预制件相对密度的增大而降低。

气压熔渗法制备高导热金刚石/Cu–B合金复合材料

以硼质量分数为0.5%的Cu–B合金为金属基体以及平均粒径为500μm的金刚石颗粒为增强体,采用气压熔渗法制备金刚石/Cu–B合金复合材料,研究气压参数对其组织结构和热物理性能的影响规律。结果表明:随着气压升高,金刚石与Cu–B合金之间的界面结合效果、导热性能均增强,热膨胀系数减小;当气压为10 MPa时,其界面结合效果最优,界面处生成的碳化物层将金刚石完全覆盖,且100℃时的样品热导率为680.3 W/(m·K),热膨胀系数为5.038×10-6K-1,满足电子封装材料的热膨胀系数要求。