金刚石/碳化硅复合材料的研究进展

金刚石/碳化硅复合材料综合了碳化硅与金刚石的优点,具有高热导率、低热膨胀系数、高比刚度、高硬度以及耐磨损等优异性能,具有广阔的应用前景,是陶瓷基复合材料领域研究的重点之一。金刚石/碳化硅复合材料的制备最早采用高温高压法,该方法可以有效避免金刚石颗粒石墨化带来的有害影响。随着技术的不断发展,出现了多种制备方法。不同的制备工艺下,金刚石/碳化硅复合材料内部的主要相含量、界面相结构及微观组织等因素决定了复合材料的整体性能水平。本文综述了国内外金刚石/碳化硅复合材料的研究与发展现状,从制备方法、性能特点、微观组织及界面反应机制等方面进行了阐述,分析了当前金刚石/碳化硅复合材料研究存在的问题,并对该复合材料的未来发展方向进行了展望。

碳/碳-碳化硅复合材料在高超音速射流中性能研究

为了增强高超音速飞行器的热防护性能,采用轴棒法编制、化学气相渗透工艺制备碳/碳-碳化硅(C/C-SiC)复合材料试件,将试件置于高超音速射流进行烧蚀实验,测试试件的烧蚀率和力学性能;采用X射线衍射仪分析复合材料的相组成,采用扫描电镜观察试件的微观结构并分析烧蚀机理。结果表明:试件烧蚀前后的弯曲强度分别为92 MPa和84 MPa;层间剪切强度分别为10.6 MPa和9.1 MPa;线烧蚀率为0.0474 mm/s,质量烧蚀率为0.0383 g/s;复合材料中的碳纤维以热化学烧蚀为主,基体材料受热化学和机械剥蚀双重作用。复合材料中的SiC颗粒在高温下液化、沉积,提高了试件的烧蚀性能,复合材料总体表现出较好的力学性能和耐烧蚀性能。

铝碳化硅复合材料T/R组件封装外壳的研制

介绍了铝碳化硅复合材料T/R组件封装外壳的研制。用磷酸铝溶液、聚乙二醇、蒸馏水、糊精和淀粉配制碳化硅浆料的粘结剂,采用双向模压法制备带金属镶嵌件的近净成型的碳化硅预制件。碳化硅预制件经压力浸渗后得铝碳化硅复合材料构件坯料。构件坯料用金刚石砂轮和电火花进行少量机械加工,并进行化学镀镍后得到铝碳化硅复合材料T/R组件封装外壳。

纤维编织结构对碳纤维增强碳化硅复合材料热膨胀和热扩散系数的影响

分别采用热膨胀仪和激光脉冲热导仪测量了2维、2.5维和3维纤维编织结构的碳纤维增强碳化硅(carbon fiber reinforced silicon carbide,C/SiC)复合材料从室温到1400℃温度范围内纵向和横向热膨胀系数,以及厚度方向的热扩散系数。用扫描电镜、光学显微镜观察了样品的微结构。结果表明:低温段(700℃以下),3种C/SiC的纵向和横向热膨胀系数均随温度的升高而缓慢增大,并在700℃之后出现不同程度的波动;高温段(700℃以上),它们的纵向热膨胀系数和2维C/SiC的横向热膨胀系数随温度的升高而减小,而2.5维和3维C/SiC的横向热膨胀系数则随着温度的升高而迅速增大。三者厚度方向的热扩散系数均随温度的升高而减小,3维C/SiC的热扩散系数最大,分别是2.5维C/SiC和2维C/SiC的1～1.2和1.4～2倍。

自加热化学气相法制备连续碳纤维增强碳化硅复合材料

通过自加热化学气相渗积法制备了 Cf/ Si C复合材料 ,对其力学性能进行了测试与分析 ,运用 SEM对复合材料显微结构和断口形貌进行了分析。研究表明 :自加热化学气相渗积法具有较快的渗积速率 ;气体流量的适度增加可改善复合材料的性能 ;碳涂层的厚度对复合材料的力学性能有较大的影响 ,适合的涂层厚度在 0 .35～ 0 .5

碳纤维增强碳化硅复合材料的力学性能与界面

以AlN和Y2 O3为烧结助剂 ,采用先驱体转化 -热压烧结的方法制备了Cf/SiC复合材料 .研究了烧结温度对复合材料界面和力学性能的影响及烧结助剂对显微结构的影响 .结果表明 :由于烧结时晶界液相和SiC AlN固溶体的形成 ,当烧结温度为 1 750℃时 ,复合材料具有较高的致密度和较好的力学性能 ;当烧结温度升为 1 80 0℃时 ,在复合材料密度增大的同时 ,其力学性能也大幅度提高 ,此时复合材料抗弯强度与断裂韧性分别高达 691 .6MPa和2 0 .7MPa·m1 / 2 ,复合材料呈现韧性断裂 ;进一步提高烧结温度至 1 850℃时 ,虽然复合材料的密度有所增加 ,但由于纤维 /基体界面结合过强以及纤维本身性能退化加剧 ,复合材料呈现典型的脆性断裂 ,其力学性能急剧降低 ;纤维 /基体的界面是导致纤维增强陶瓷基复合材料性能的关键因素 ,其中 ,纤维的脱粘与拔出是主要的增韧因素 .

短炭纤维增强碳化硅复合材料氧化行为的研究

采用低温模压工艺制备了短炭纤维增强碳化硅 (C/C SiC)复合材料 ,密度约为 1.7g/cm3 ,研究了短炭纤维增强碳化硅复合材料在空气中的氧化行为。结果表明 :在 60 0～ 10 0 0℃范围内 ,随着氧化温度升高 ,材料的氧化加剧 ,失重率增加 ;在同一温度点 ,随着氧化时间的延长 ,材料的失重率增加 。

逆反应烧结制备铝电解槽用氮化硅—碳化硅复合材料

采用常规的反应烧结工艺制作铝电解槽侧壁材料用Si_3N_4/SiC时存在不足，为此，提出应用逆反应烧结工艺进行生产性试验的设想。在制备Si_3N_4/SiC复合材料时，常规反应烧结是以Si和SiC为原料经氮化烧结；逆反应烧结是以Si_3N_4和SiC为原料，首先使Si_3N_4反向反应生成活性氧化物后进行烧结。结果表明：该工艺特点是新生的Si_2N_2O或SiO_2进行活性烧结；制品具有良好的物理和化学性能。制品结构紧密，新生氧化物或亚氧化物紧密地充填在Si_3N_4和SiC颗粒间界，新工艺制备的砖的抗冰晶石熔体侵蚀的性能优于常规工艺烧成砖，是铝电解槽侧壁的良好材料。

碳/碳化硅复合材料上莫来石涂层的制备及氧化行为

以正硅酸乙酯[(C2H5)4SiO4,ethyl orthosilicate,TEOS]和硝酸铝[Al(NO3)3.9H2O]为原料,制备了莫来石(3Al2O3.2SiO2,mullite)溶胶,用浸涂法在碳/碳化硅(Cf/SiC,下角f表示纤维,下同)上制备3Al2O3.2SiO2涂层(mullitecoating,MC)。对Cf/SiC和Cf/SiCMC进行了等温-氧化实验,并研究了两者的氧化规律。结果表明:Cf/SiC和Cf/SiCMC的氧化都可以划分为3个主要阶段:θ<700℃;700℃<θ<1000℃;1000℃<θ<1200℃。在各个阶段,控制氧化速率的机理各有不同,Cf/SiCMC的氧化质量损失比Cf/SiC的低50%左右,表现出较好的抗氧化性能。

铝基碳化硅复合材料加工技术发展研究

AlSiC(铝基碳化硅)复合材料具有优异的力学性能和物理性能,在航空航天、汽车、电子、军事等领域被广泛应用。文中综述了近年来国内外铝基碳化硅复合材料的单一加工技术和复合加工技术的研究进展和应用情况,并结合作者近几年的研究成果提出了一种高效、经济的ALSic复合材料精密加工技术。

碳化硅复合材料包壳燃料棒在LOCA事故中的特性研究

碳化硅复合材料具有热膨胀系数低、中子吸收截面低、抵抗热冲击、高温下耐腐蚀、强度高等特点,是反应堆耐事故燃料的候选材料之一。为分析碳化硅复合材料包壳燃料棒在失水事故下的综合性能,利用公开文献实验数据,拟合碳化硅复合材料物性公式,用FRAPTRAN对比分析与Zr4包壳燃料棒在同种工况下的性能差异。本文整理的公式和使用的方法可初步用于分析碳化硅复合材料燃料棒的综合性能。计算结果表明:在失水事故中,碳化硅复合材料的燃料棒失效时间长,平均温度低,可有效延缓事故进程。

激光选区烧结金刚石/碳化硅复合材料性能研究

采用激光选区烧结(SLS)技术结合液相渗硅工艺制备了金刚石/碳化硅复合材料,研究了粉末原料中金刚石含量对SLS成形素坯和金刚石/碳化硅复合材料性能的影响,利用电子探针显微分析仪分析了复合材料的物相分布和硅-碳反应机理。结果表明,金刚石含量的增加可以有效提高复合材料的物理性能、机械性能和热学性能。金刚石/碳化硅复合材料的最大体积密度、抗弯强度和表面洛氏硬度HRA分别为(2.90±0.01)g·cm^(-3)、(231.15±3.27)MPa、78.06±0.54,在常温下的最低热膨胀系数和最高热导率分别为2.06×10^(-6) K^(-1)和207.21 W·m^(-1)·K^(-1)。

铝基碳化硅复合材料刀具精密铣削过程中的磨损性能

选取YG8-1、YG8-2、YT15和YG6X等4种不同材料的三刃硬质合金铣刀及两刃金刚石铣刀,对碳化硅体积分数为50%的铝基碳化硅复合材料进行切削加工,研究不同刀具的磨损性能。结果表明,金刚石刀具的磨损量低于硬质合金的磨损量。硬质合金刀具中,YT15的磨损最为严重,YG6X的磨损量最小。

碳/碳-碳化硅复合材料制备及性能研究

为了提高航母舰载机燃气导流板的性能,对碳/碳-碳化硅(C/C-SiC)复合材料开展制备和性能研究。采用轴棒法编制预制体,采用化学气相渗透工艺制备试件。将试件在舰载机的尾流中做模拟起飞工况的飞行试验。采用电子天平和千分尺测量试件的烧蚀率,采用能谱分析测量燃烧产物的成份,采用扫描电镜观察试件烧蚀后的微观形貌的变化,并对试件的烧蚀机理进行分析。结果表明:试件的质量烧蚀率为0.0405 g/s,线烧蚀率为0.0488 mm/s;试件中SiC在高温下反应生成的SiO2在碳纤维的周围沉积,形成了包鞘结构,有效地阻滞了氧化反应向内部继续传递,从而降低了试件的烧蚀率,材料总体表现出优异的抗烧蚀性能。

基体改性对碳纤维增韧碳化硅复合材料结构与性能的影响

采用化学气相浸渗法对2DC/SiC复合材料进行基体改性,制备了二维碳纤维增韧碳–碳化硅二元基复合材料(twodimensionalcarbonfiberreinforcedC–SiCbinarymatrixcomposites,2DC/C–SiC)。2DC/C–SiC复合材料的基体为热解碳和碳化硅交替叠层的多层基体。研究了2DC/C–SiC复合材料的微观结构,比较了2DC/SiC复合材料和2DC/C–SiC复合材料的力学性能及断口形貌。结果表明:2DC/C–SiC复合材料可在基本保持2DC/SiC复合材料抗弯强度的基础上,其断裂韧性得到显著提高。基体改性的效果明显。纤维的逐级拔出是断裂韧性提高的原因。

铝基碳化硅复合材料的精密磨削研究

粗指向机构具有激光通信载荷的粗指向和跟踪功能,粗指向机构中的轴系部件采用体积分数为25%的铝基碳化硅复合材料。论述了铝基碳化硅复合材料的磨削加工现状,以粗指向机构中的方位主轴为例,分析了圆度误差的组成和产生原因,并提出了减小圆度误差的措施,由此实现了铝基碳化硅复合材料的精密磨削。

炭/碳化硅复合材料在高温燃气环境中的铰链传动与摩擦行为

采用化学气相渗透法(CVI)制备了二维炭纤维增强碳化硅(C/SiC)全陶瓷基复合材料铰链试样.高温燃气风洞实现了铰链试样在1800℃高温氧化气氛中传动与摩擦行为的试验模拟.基于耦合应力等效模拟系统的开发,采用摩擦力矩的变化表征材料的传动与摩擦行为.对比分析了材料在室温与高温下以传动为背景的高载荷、低转速摩擦磨损行为及机理.C/SiC复合材料铰链试样在高温燃气环境中稳定的摩擦力矩和对滑动时间的不敏感,验证了材料在高温下更稳定、更可靠的高温摩擦性能及热承载能力.高温下表面生成的氧化反应膜通过应力的重新分布起到有效的保护与润滑作用.

火焰原子吸收光谱法测定铜-钛改性的碳/碳-碳化硅复合材料中高含量铜

铜-钛改性的碳/碳-碳化硅(C/C-SiC)复合材料的主要成分为铜钛碳硅,不易被常规方法溶解。采用在800~820℃先将样品灼烧20min以消除碳的干扰,再从瓷坩埚转于刚玉坩埚中碱熔,并加入盐酸和硝酸进一步溶解样品,建立了以2.0%盐酸为测定溶液介质、火焰原子吸收光谱法测定铜-钛改性的C/C-SiC复合材料中铜的方法。研究表明,铜浓度在2~12μg/mL范围内与吸光度呈良好的线性关系,线性回归方程为y=0.015 31+0.059 66x,线性相关系数R=0.999 4,方法检出限为0.011 2μg/mL。采用方法对铜-钛改性的C/C-SiC复合材料自制样品FL-2和内控样品C6分别进行测定,结果与参考值或碘量法基本一致,相对标准偏差(RSD,n=6或12)分别为0.39%和1.1%。

碳/碳-碳化硅复合材料在再入飞行环境中性能研究

为了研究碳/碳-碳化硅复合材料在再入飞行环境中的性能,采用化学气相渗透的方法制备碳/碳-碳化硅复合材料试件,将试件置于再入模拟环境中进行飞行试验,测量试验台热等离子体射流场的工作参数,并分析碳/碳-碳化硅复合材料的性能。结果表明,在等离子体发生器的出口处,射流场的热动力学参数呈抛物线分布;复合材料在不同区域的烧蚀形貌有很大的差异,烧蚀率和烧蚀机理不同:驻点区以气化反应消耗为主,其线烧蚀率为0.0373 mm/s,质量烧蚀率为0.0363 g/s,其他区域为氧化反应和裂解共同作用的结果,其烧蚀率逐渐降低。

粒子侵蚀对碳/碳-碳化硅复合材料烧蚀性能的影响

为研究碳/碳-碳化硅复合材料(C/C-SiC)的抗机械侵蚀性能,将C/C-SiC复合材料试件置于含粒子的射流中做粒子侵蚀试验,测定试件在不同工况下的侵蚀率;对试件侵蚀后的表面和内部的微观形貌分别采用扫描电镜(SEM)和微CT进行观察,并分析损耗机理。结果表明:复合材料在含粒子时的线侵蚀率是不含粒子时的烧蚀率的2.24倍,含粒子的质量侵蚀率是不含粒子的烧蚀率的1.8倍,粒子侵蚀对试件的消耗起到了决定性的作用;复合材料在机械侵蚀作用下发生脆性破坏。