熔融渗硅法制备C/C-SiC复合材料的研究进展

综述了熔融渗硅法制备C/C-SiC复合材料的国内外研究和应用现状,重点分析了碳纤维预制体和C/C多孔体的制备,以及熔融渗硅过程对C/C-SiC复合材料性能和结构的影响,介绍了C/C-SiC复合材料作为热结构和摩擦材料在航空航天和先进摩擦制动系统中的应用,提出了C/C-SiC复合材料制备过程中存在的问题和今后研究的重点。

C/C-SiC复合材料熔融渗硅制备工艺

C/C-SiC 复合材料具有许多优异的性能,如高比强度、高比模量、优良的高温性能、高热导率以及低热膨胀系数等。与其它制备工艺相比,采用熔融渗硅法制备 C/C-SiC 复合材料的工艺具有操作简单、周期短、成本低等优点。综述了目前熔融渗硅法制备 C/C-SiC 复合材料的研究状况。

碳化硅粉体对熔融渗硅法制备C_f/SiC复合材料结构的影响

以三维针刺碳纤维为预制体,含有微米级碳化硅粉体的酚醛树脂浆料为碳源,采用熔融渗硅(Molten Silicon Infiltration)法制备Cf/SiC复合材料,研究了碳化硅粉体的存在对制备Cf/SiC复合材料结构的影响。结果表明:预成型体中,微米级碳化硅粉体能有效的浸渍至纤维束中,并在裂解过程中因与基体碳热膨胀系数差异产生与粉体粒径相当的微裂纹,形成裂纹孔道结构,预成型体密度为1.32 g/cm3,开口气孔率为25%;复合材料中,裂纹的引入为熔融渗硅提供通道,但裂纹孔道尺寸过大影响了复合材料的进一步致密化,SEM表明在碳化硅颗粒周围形成闭气孔,复合材料密度为1.93 g/cm3,开口气孔率为7%。

熔融渗硅对二维编制炭/炭复合材料摩擦特性的影响

为了改善航空刹车副用炭 /炭复合材料的摩擦磨损性能 ,对二维编制C/C复合材料的摩擦机理进行了深入的研究 ;对比了试样渗Si后及渗Si前的实验结果 ,着重研究了试样不同的渗Si量对摩擦磨损行为及特性的影响。结果发现渗Si的试样比没有渗Si试样摩擦曲线线型好 ,并且摩擦试验过程中的振动现象也得到了解决。但摩擦因数随着所生成SiC含量的增加 ,由 0 .35→ 0 .32→ 0 .2 8呈下降趋势 ;磨损量随着所生成SiC含量的增加而增大 ;当有大量的不均匀的SiC颗粒生成时 ,C/C复合材料的摩擦表面将会被剥落 。

熔融渗硅法制备C/C-SiC复合材料的干态摩擦磨损行为及机制

本文以针刺炭纤维整体毡为预制体,采用化学气相渗透法和熔融渗硅法制得炭纤维增强双基体炭/碳化硅(C/C-SiC)摩擦材料;研究了C/C-SiC的干态摩擦磨损行为及机理.研究结果表明:C/C-SiC摩擦材料和30CrMoSiVA合金钢配对摩擦副制动性能稳定,当制动速度从5 000 r/min升至7 500 r/min,摩擦系数由0.33降至0.29,C/C-SiC线磨损率相应由2.01μm/次升至3.40μm/次;C/C-SiC与对偶件的摩擦是犁沟效应和黏着效应共同作用的结果,磨损是磨粒磨损、黏着磨损、氧化磨损和疲劳磨损相互作用的结果.

高温热处理和不同基体炭对C/C多孔体熔融渗硅行为的影响

以针刺整体毡为坯体 ,采用化学气相沉积 (CVD)和树脂浸渍 /炭化方法 (IC)制成C/C多孔体 ,然后熔融渗硅 (MSI)制备了C/C SiC复合材料 ,研究了高温热处理 (HTP)和不同基体炭对多孔体熔融渗硅行为的影响 ,并探讨了高温热处理树脂炭对SiC生成量的影响。研究表明 :利用CVD→IC混合工艺制备的C/C多孔体 ,渗硅前高温热处理较炭化的更有利于液硅的渗入 ;高温热处理使得树脂炭的孔比表面积增加 ,从而反应生成SiC也多 ;与热解炭或最后热解炭增密的C/C多孔体相比 。

熔融渗硅法制备C/C-SiC复合材料工艺参数研究

以针刺网胎无纬布为预制体,采用化学气相沉积(CVD)和树脂浸渍/炭化(IC)制成不同密度的炭/炭(C/C)多孔体,然后在温度为1650℃、1800℃时进行熔融渗硅(LSI)制备C/C-SiC复合材料。采用金相显微镜观察材料渗硅前后形貌,并结合熔融渗硅机理进行分析;研究多孔体密度、反应温度等因素对熔渗效果的影响。结果表明,低密度的C/C多孔体开孔率高,比表面积大,液态Si易于渗入,生成更多SiC,致密效率高;1800℃时进行熔融渗硅效果更好,所得材料的弯曲强度最高可达225 MPa。

温压-熔融渗硅法制备C/C-SiC摩擦材料及其摩擦磨损性能

以短切炭纤维、石墨粉、硅粉、树脂为原料,采用新开发的温压-熔融渗硅(WC-RMI)法制备C/C-SiC摩擦材料,对不同制动速度下材料的摩擦磨损性能进行研究,并对温压-熔融渗硅法的制备工艺过程进行理论分析。结果表明:C/C-SiC材料的密度可达1.78g/cm3,残留单质Si的含量为0.3%,摩擦因数为0.36～0.43,体积磨损量低至0.6×10-2cm3/MJ,且随着制动速度的增大,其磨损量迅速下降并趋于平稳;C/C-SiC材料在摩擦过程中能够形成光亮、平整、连续的摩擦膜,有效降低C/C-SiC材料的磨损量。

熔融渗硅工艺制备的SiC_(f)/SiC复合材料微观结构与性能

SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料(SiCf/SiC复合材料)在航空发动机热端部件方面具有重要应用。本文以第二代碳化硅纤维为增强材料,采用熔融渗硅工艺制备出SiCf/SiC复合材料,测试复合材料的基本物理性能及常规力学性能,并利用Micro-CT、SEM对试样的微观结构和断面进行了表征分析。结果显示:SiCf/SiC复合材料的体积密度为2.78 g/cm^3,开气孔率小于2.0%,基体较为致密,1200℃时热导率(厚度方向)为14.30 W/(m∙K),室温~1200℃厚度方向和面内方向的线胀率分别为0.59%、0.56%,平均热胀系数分别为5.02×10^-6、4.73×10^-6/K;室温面内拉伸强度典型值为317 MPa,SEM显示试样断面具有明显的纤维拔出效应,弯曲强度和层间拉伸强度典型值分别达794和49 MPa。

熔融渗硅处理对PIP工艺制备的SiC_f/SiC复合材料性能影响

采用前驱体浸渍裂解工艺及浸渍裂解-熔融渗硅复合工艺制备了SiC_f/SiC复合材料。首先采用前驱体浸渍裂解工艺及两种不同界面层的纤维布制备复合材料,当界面层为BN/SiC双界面层时,制备的复合材料弯曲强度为373±71MPa,体积密度为2.351g/cm^3,显气孔率为15%;当界面层为热解碳界面层时,制备的复合材料弯曲强度为717±59MPa,体积密度为2.263g/cm^3,显气孔率为21%。经熔融渗硅后,上述两种复合材料的弯曲强度分别为291±42MPa与320±134MPa,体积密度分别为2.504g/cm^3与2.496g/cm^3,显气孔率分别降至7%与6%。实验结果表明,界面层对复合材料性能影响较为显著,采用复合工艺能够明显降低材料孔隙率,熔融渗硅后材料性能下降,下降幅度与界面层类型有关。

熔融渗硅对石墨材料微观结构及性能的影响

选用四种不同孔隙结构的石墨进行熔融渗硅(简称熔渗)反应,采用扫描电镜、X-射线衍射、压汞、CT等方法表征了熔渗前后材料的微观形貌、物相及孔隙结构。结果表明,熔渗后的材料由石墨、硅及碳化硅三种物相组成,且硅及碳化硅的分布与石墨孔隙结构相关。熔渗后样品孔隙率均<1%,体积密度提高21.08%~35.94%。熔渗后材料强度及模量均有明显提高,强度是原石墨样品的1.7~6.2倍,模量是原石墨样品的2.4~7倍,提高幅度与石墨孔隙结构及晶粒尺寸相关。理论计算结果表明,石墨样品熔渗过程主要受扩散-反应控制。

熔融渗硅对不同类型C/C复合材料微观结构及性能的影响

选用了三种不同结构的C/C多孔体进行液硅熔渗,采用扫描电镜、X-射线衍射、微纳CT、压汞等方法表征了熔渗前后材料的微观形貌、物相组成及孔隙结构。结果表明,熔渗后材料显气孔率均小于2%,实现了较好的致密化,C/C多孔体熔渗过程中可以采用高残碳树脂裂解形成的树脂碳或化学气相沉积形成的裂解碳进行保护,熔渗后其弯曲强度分别提高到1.5倍与2.5倍,而纤维未被保护的C/C多孔体熔渗后弯曲强度降低41%。

熔融渗硅对石墨氧化行为的影响

分别在500℃、700℃、900℃及1 100℃空气条件下,对石墨及渗硅石墨进行氧化实验,以分析熔融渗硅对等静压石墨氧化行为的影响。采用扫描电镜(SEM)分析了样品表面及内部形貌,通过压汞法表征了样品的孔隙结构,并对材料的力学性能进行了测试分析。结果表明:500℃条件下,石墨和渗硅石墨均未发生明显的氧化失重现象;温度为700℃时,石墨的氧化失重率随时间延长明显增加,而该温度下渗硅石墨的氧化失重率变化较小。而且,渗硅石墨在700℃时仍能保持较好的强度,而此温度下,石墨随氧化时间的延长,强度明显降低,甚至被氧化成粉末状。因此,熔融渗硅在提高材料抗氧化性能的同时能够显著提升材料的强度。

熔融渗硅法制备C／C-SiC复合材料弯曲性能研究

以针刺网胎无纬布为预制体，通过化学气相沉积（CVD）及树脂浸渍／炭化（IC）致密工艺，制备出不同密度C／C多孔体，经2500℃高温处理，在1800℃进行熔融渗硅（LSI），制备出C／C—SiC复合材料，对其弯曲性能进行研究。结果表明：C／C多孔体密度低时，熔融渗硅致密效率高，但所得C／C—SiC复合材料弯曲强度低（185MPa）；随着多孔体密度的增大，渗入的硅含量减少时，材料界面结合强度适中，弯曲强度增大（225MPa）；随着渗入硅含量进一步减小，界面结合减弱，弯曲强度降低（197MPa），表现出显著的韧性断裂特征。

炭纤维增强双基体炭/碳化硅(C/C-SiC)制动材料的性能

以针刺炭纤维整体毡为预制体,采用呋喃树脂加压浸渍、加压固化和炭化制得密度为1.45g/cm3的多孔体C/C材料,然后熔融渗硅制得密度为2.37g/cm3的炭纤维增强双基体炭/碳化硅(C/C-SiC)材料.结果表明:熔融渗硅中反应生成的SiC基体主要分布在胎网层、针刺纤维附近以及无纬布层的纤维束间;C/C-SiC材料的弯曲强度为165MPa,垂直和平行于无纬布铺层方向的压缩强度分别为210和196MPa;C/C-SiC材料的摩擦性能稳定,平均动摩擦系数为0.38,静摩擦系数为0.40,和对偶件的线磨损率分别为5.3和3.7μm/(面.次),其磨损过程是由磨粒磨损、黏着磨损和氧化磨损共同作用的结果.

C/C-SiC复合材料的导热性能及其影响因素

以炭纤维针刺毡为预制体,采用化学气相渗透法和熔融渗硅法相结合制得C/C-SiC复合材料;研究C/C-SiC材料在室温至1 300℃之间的导热性能以及预制体结构、基体炭结构和石墨化处理对其热扩散率的影响。研究结果表明:C/C-SiC材料的比热容随着温度的升高不断增大,在700℃时达到最大值2.18 J/(g·K),随后降至1 300℃时的0.57 J/(g·K),其导热系数在1 300℃时为3.95 W/(m.K);C/C-SiC材料的热扩散率在室温时为0.12 cm2/s,随着温度的升高不断降低并趋于常量,平行摩擦面方向的热扩散率明显比垂直于摩擦面方向的大;以全网胎为预制体的C/C-SiC材料其垂直和平行摩擦面的热扩散率相当,树脂炭质量分数增大及石墨化处理均可显著提高C/C-SiC材料的热扩散率。

炭纤维增强C/SiC双基体复合材料的制备及性能(英文)

以针刺炭纤维整体毡为预制体,联用化学气相沉积法与熔融渗硅法制得炭纤维增强C/SiC双基体(C/C-SiC)复合材料;研究了C/C-Si材料的显微结构、力学性能和不同制动速度下的摩擦磨损性能及机理。结果表明:C/C-SiC材料具有适中的纤维/基体界面结合强度,弯曲强度和压缩强度分别达240MPa和210MPa,具有摩擦系数高(0.41～0.54),磨损小(0.02cm3/MJ),摩擦性能稳定等特点.随着制动速度提高,C/C-Si材料的摩擦磨损机制也随之变化:在低速制动条件下主要表现为磨粒磨损;中速时以黏着磨损为主;高速时以疲劳磨损和氧化磨损为主。

C/C-SiC材料的快速制备及显微结构研究

分别以碳毡和二维碳纤维为预制体，采用化学液相气化渗入法结合熔融渗硅反应法快速制备了C／C-SiC陶瓷复合材料。对这种材料的密度和气孔率进行了表征，并通过XRD，OM和SEM等方法对其相组成、显微结构和反应机理进行了研究。结果表明：不同预制体制备的C／C—SiC材料密度和气孔率分别为～2．0g／cm^3和～1．0％。其相组成包括反应生成β-SiC以及未反应的游离Si和C。C／C—SiC中纤维被环状的沉积碳包裹，生成SiC的反应只发生在Si与沉积碳之间，纤维没有损伤。Si，C和SiC各相分布和含量因预制体的不同而有明显差异。

高性能制动系统用炭纤维增强炭和SiC双基体(C/C-SiC)复合材料

C/C-SiC制动材料具有密度低、耐高温、制动平稳、摩擦因数高、磨损少和环境适应性强等优点,是一种能满足高速高能载制动的高性能轻质材料。本文以针刺炭纤维整体毡为预制体,采用化学气相渗透法制备C/C多孔体,然后熔融渗硅制得C/C-SiC材料;研究了C/C-SiC材料的组织结构、力学性能及其失效模式、摩擦磨损性能及机理,同时介绍了中南大学研制的C/C-SiC制动材料的应用现状。

黄杨木制备SiC木质陶瓷的性能与表征

SiC木质陶瓷是近年来应用前景广阔的新型陶瓷材料,以绿色可再生的木材为原材料,通过反应烧结工艺制备出的陶瓷具有优良的高温力学性能。为探究影响生物质陶瓷性能的因素,将黄杨木在800℃氮气保护下热解形成生物质炭坯,然后在1650℃和1900℃两种高温下进行熔融渗硅制备SiC木质陶瓷。利用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)研究SiC木质陶瓷的物相组成和微观结构,采用阿基米德排水法和三点弯曲法测定陶瓷的开孔率、密度和弯曲强度,再使用维氏硬度计测定SiC木质陶瓷的显微硬度。研究结果表明:在1650℃下通过熔融渗硅可以得到微观结构均匀的SiC木质陶瓷,在1650℃比在1900℃下熔融渗硅制备陶瓷的力学性能更优异,陶瓷的密度更大,为2.27 g/cm^(3),此时弯曲强度为192.45 MPa;游离Si会提高SiC木质陶瓷的密度,增强陶瓷的弯曲强度。