2.5维碳化硅纤维增强碳化硅复合材料的力学性能(英文)

采用低压化学气相渗透法制备了具有热解碳界面层的2.5维SiCf/SiC复合材料。研究了界面层厚度和基体制备工艺对材料力学性能的影响。结果表明:0.1μm厚的界面层使材料的弯曲强度提高了104.2%(从144增加到294MPa),材料表现为非灾难性断裂;界面层厚度进一步增加(到0.16μm),纤维的增强效果减弱,材料的断裂行为变差。基体制备温度由1050℃降到950℃时,材料强度增加了≈45%(从188增加到274MPa);制备压力由8kPa增加到16kPa时,气孔率升高,SiC基体晶粒形状由菱形变为球形。基体的球形晶粒有利于提高材料的承载能力,虽然复合材料的气孔率较高,但其弯曲强度却稍有增加。

碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展及应用

碳化硅增强碳化硅(SiC_(f)/SiC)陶瓷基复合材料具有低密度、高强度和刚度、耐高温、耐磨等综合性能,已成为重要的热结构材料体系之一。目前,碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料已被成功应用于航空发动机热结构部件、飞行器热防护结构部件及核结构部件等。综述了硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的组成、制备工艺及应用,分析了各种制备工艺的优缺点以及未来的研究重点。

3D打印与仿生学融合:仿竹结构的碳纤维增强碳化硅复合材料

随着航空航天等领域对材料性能要求的日益提高,陶瓷基复合材料(CMCs)因其卓越的高温稳定性和优异的力学性能而备受关注。然而,CMCs在机械性能与电磁波吸收(EWA)性能之间的平衡一直是一个技术难题。近期,西安交通大学的科研团队在《材料科学与技术杂志(Journal of Materials Science&Technology)》上发表了一篇关于仿竹结构的连续碳纤维增强SiC(Cf/SiC)复合材料的研究成果,为CMCs的应用提供了新的思路。

铝酸盐体系中氧化时间对碳化硅颗粒增强铝基复合材料微弧氧化膜层的影响

[目的]探究氧化时间对碳化硅颗粒增强铝基(SiC_(p)/Al)复合材料微弧氧化膜层的影响。[方法]选用铝酸盐体系作为电解液,对SiC_(p)/Al复合材料进行微弧氧化处理,分析氧化时间对膜层组织结构、物相、厚度、粗糙度、结合力、电绝缘性及耐蚀性的影响。[结果]随着氧化时间延长,膜层逐渐变得连续均匀,厚度增加。若氧化时间过长,膜层会出现层叠现象,形成大尺寸微孔及裂纹,且生长速率越来越低。膜层结合力随氧化时间延长先增大后减小,在60 min时最大,达到39.85 N。氧化时间为10 min时,膜层的电绝缘性及耐蚀性最优,100 V和500 V电压下的绝缘电阻分别达到3.11×10^(12)Ω和1.41×10^(12)Ω,腐蚀电位为-0.6298 V,腐蚀电流密度为1.332×10^(-7)A/cm^(2)。[结论]SiC_(p)/Al复合材料表面微弧氧化膜层的连续性、均匀性及生长速率均与氧化时间有关。需选择合适的氧化时间,才能制备出连续、均匀且综合性能优异的膜层。

先驱体转化法制备含异质元素碳化硅纤维的研究进展

连续SiC纤维及其复合材料以其优异的耐高温、抗氧化以及机械性能在航空航天以及核领域有着广泛的应用前景。先驱体转化法已成为制备连续SiC纤维最重要的方法。特定异质元素的引入可以有效改善SiC纤维的性能。本文结合我们团队近40年在先驱体转化法制备高性能SiC纤维领域的相关工作,首先综述了异质元素的引入方式,主要包括物理共混和化学改性;从提高先驱体的陶瓷产率、促进纤维烧结致密化,提高SiC纤维的耐高温性能以及拓展SiC纤维的功能化应用等方面阐述了异质元素的作用和机理;然后分别介绍了国内外含Ti、Al、Zr、Fe、B以及难熔金属(Hf、Ta、Nb)等含异质元素SiC纤维的组成、结构与性能以及发展现状,最后对陶瓷先驱体体系构建、异质元素种类含量与纤维性能构效关系研究、以及纤维工程化应用等研究方向进行了展望。

纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料高导热性能研究进展

作为一种先进的高温结构及功能材料,高效传热和高温耐热相结合对纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(silicon carbide matrix composites,SiC CMC)在热管理领域(thermal management,TM)中的应用至关重要。常见的纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料,如碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(C_(f)/SiC或C_(f)/C-SiC)、碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC_(f)/SiC)等,增强纤维的石墨化程度较低,难以形成有效的热输运网络。本文综述了纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料制备及高导热性能等方面的最新研究进展。可通过引入高导热相、优化界面结构、粗粒化碳化硅晶体、设计预制体结构等方式提高纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的热输运能力。此外,展望了纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料发展趋势,即综合考虑影响高导热碳化硅陶瓷基复合材料性能要素,灵活运用复合材料结构与性能的构效关系,以期制备尺寸稳定、性能优异的纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料。

直写式3D打印碳纤维/碳化硅陶瓷性能优化

在陶瓷制备过程中,烧结工艺至关重要,不仅影响陶瓷的显微组织结构,而且决定着陶瓷的力学性能。因此,为提升碳化硅/碳纤维陶瓷样品的性能,优化烧结工艺。采用直写式3D打印的方式,以碳纤维/碳化硅为打印材料,通过三同轴喷嘴挤出打印,以4种不同的烧结工艺烧结打印的碳纤维/碳化硅陶瓷样品,分析不同烧结工艺对碳纤维/碳化硅陶瓷样品,组织和性能的影响。结果表明:经烧结工艺3,即浸渍液聚碳硅烷与二甲苯的比例为2∶3、以10℃·min^(-1)的升温速率达到烧结温度,烧结后的碳纤维/碳化硅陶瓷样品的组织和性能最好,其致密度可达到95.5%,抗弯强度可达到156 MPa。

碳化硅纳米纤维表面修饰碳相功能复合材料的制备及应用研究进展

碳化硅纳米纤维具有优异的力学性能与热物理性能,其表面修饰碳材料制备功能复合材料可具备高温抗氧化及热稳定性,在航空航天等尖端战略领域已取得系列创新进展。聚焦于碳化硅纳米纤维表面修饰碳相功能复合材料的制备方法和功能特性,介绍了原位生长和静电纺丝制备方法,详细介绍了该复合材料在增韧补强、高温抗氧化的热端防护、能源环境及电磁屏蔽等方面应用的前沿进展。指出碳化硅纳米纤维的生长机理可从分子层面深入分析,实现材料高性能化的有效控制,降低制备成本和能耗,面向大规模工程化应用。

新型碳化硅纤维专用浆料及上浆技术研究

连续碳化硅纤维是目前应用于特殊服役条件下的一种先进材料,也是一种在纺织领域需要重点研究的重要纤维。近年来,国产碳化硅纤维的产量逐渐攀升,但其纤维的织造性能参差不齐。为了改善国产连续碳化硅纤维的可织造性能,减少碳化硅纤维在织造中出现的起毛、劈丝、断丝等问题,在对比了现有常规的碳化硅纤维专用浆料的应用情况与浆料性能之后,配比了一种新型碳化硅纤维专用浆料,能够显著提高碳化硅纤维的耐磨性能,减少浆纱过程中的纤维损失,提高了碳化硅纤维的可织造性能,降低了碳化硅纤维的织造成本,提升了碳化硅纤维的织造加工效率。

不同抛光参数对碳化硅-碳纤维复合材料抛光表面粗糙度影响分析

为了研究在磁流变胶抛光中,抛光参数对碳化硅-碳纤维复合材料表面加工质量的影响规律,采用磁流变胶抛光方法,对材料表面进行抛光。研究磁极分布方式、加工间隙和磁极转速对材料表面形貌和表面粗糙度的影响规律。结果表明,磁极分布方式影响待加工表面的磁场分布强度,进而影响表面加工质量。随着加工间隙增大,表面粗糙度下降量先增大后减小,在加工间隙为2 mm处得到最优表面质量。随着磁极转速增大,表面粗糙度下降量先增大后减小,在磁极转速达到800 r/min时得到最优表面质量。

碳化硅纤维2.5D增强预制体的研究

碳化硅纤维增强碳化硅基体(SiC/SiC)复合材料其优异特性是航空发动机热端高温部件的理想材料。作为SiC/SiC复合材料的增强相,SiC纤维预制体的设计与织造决定构件可靠性和承载效率的关键环节。2.5D结构由于可设计性强,成本低,成型简单,产业化可实现等特点而广泛应用于预制体织造。本文介绍了碳化硅纤维可织性研究,归纳了2.5D角联锁的几种结构方法,阐述了2.5D角联锁织造关键技术等问题,最后提出了在该领域应解决的问题和主攻方向。

俄利用数字孪生技术开展碳化硅燃料包壳研发

【英国《国际核工程》网站2024年6月20日报道】俄罗斯博奇瓦尔无机材料研究所(VNIINM)正在利用数字孪生技术推进碳化硅耐事故燃料包壳研发。碳化硅燃料包壳有望彻底消除核电事故的一个重要诱因——蒸汽-锆(传统的燃料包壳材料)反应。然而,这种材料性质特殊,无法沿用传统制造工艺。博奇瓦尔研究所创新性地研发了一种新方法:以碳化硅纤维编织成框架,再用碳化硅基体材料浸渍。

连续碳化硅纤维增韧陶瓷基复合材料微结构数字化建模和宏观各向异性模量预测

围绕陶瓷基复合材料连续增韧相各向异性难以快速建模和宏观模量精准预测困难的问题,本工作结合水平集法和有限元法建立了陶瓷基复合材料复杂微结构数字化自动建模方法及预制体不同区域材料各向异性赋值策略。同时,以二维SiC编织布增韧陶瓷基复合材料(SiC_(f)/SiC)为例,采用细观力学均匀化方法和自编程序实现了兼顾自然孔隙影响的连续纤维增韧陶瓷基复合材料宏观各向异性模量跨尺度准确计算。与已有文献中的SiC_(f)/SiC性能实验数据对比,验证了本工作中建模方法和模量计算算法的有效性。此外,本工作还探究了SiC_(f)/SiC自然孔隙形状及纤维束波纹度比对材料宏观性能的影响机制。

碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料研究进展综述

碳化硅纤维增韧碳化硅(SiC_(f)/SiC)复合材料具有优异的力学性能,以及耐高温、耐氧化、耐腐蚀、抗辐照和抗蠕变等一系列优点,在核能、航空航天、深海探测、轨道交通等诸多领域有着广阔的应用前景。从结构组成来看,SiC_(f)/SiC复合材料主要由三大结构单元组成:纤维、基体、界面相。高强度、近化学计量比、低氧含量碳化硅纤维的研制,是获得耐高温、耐氧化、抗辐照的碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的关键。裂解碳/碳化硅多层复合界面相在航空航天领域具有较好的应用前景,新型的RE_(3)Si_(2)C_(2)涂层在耐高温氧化方面具有潜在的优势,而三元层状过渡金属碳化物界面层则可能是未来制备核用SiC_(f)/SiC复合材料的候选方案之一。而SiC_(f)/SiC复合材料的制备工艺各具优劣,针对不同的应用环境,可选择不同的制备工艺,多种制备工艺联用在制备高致密高热导力学性能优异的复合材料方面具有显著优势。此外,由于SiC_(f)/SiC复合材料难以一次成型制备出复杂形状的大尺寸构件,因此,SiC_(f)/SiC复合材料的可靠连接技术也是其走向应用必须解决的关键问题之一。针对SiC_(f)/SiC复合材料的研究热点问题,概述了目前国内外关于SiC_(f)、界面相、复合材料的制备方法以及连接技术等研究进展,以期为同行研究者与工程技术人员提供参考。

碳化硅晶须增强复合材料性能研究进展

碳化硅晶须作为增强组元加入复合材料基体中起到了补强增韧的作用,可以加速传统材料产品的更新换代。与其他晶须相比,碳化硅晶须的强度、弹性模量和耐高温性能更好,近年来我国在碳化硅晶须生产方面发展迅速,在机械、电子、航天等领域得到了推广和应用。在简要介绍碳化硅晶须的基础上,着重介绍了碳化硅晶须增强机理,结合国内外研究现状综述了在不同基体复合材料性能增强应用中的研究进展,探讨了未来相关研究工作面临的挑战,并对碳化硅晶须的应用前景作了展望。

先驱体转化法制备碳纤维增强碳化硅复合材料的研究

本文采用有机硅先驱体聚碳硅烷转化成碳化硅制备连续碳纤维增强的碳化硅基复合材料。对其制备工艺，如碳纤维体积分数的控制、液相浸渍聚碳硅烷热解转化成碳化硅基体的致密化等进行了研究。结果表明，该工艺对制备连续纤维增强的陶瓷基复合材料是一种有效的方法，易于实现纤维和基体的成型、复合。致密化过程不损伤纤维。对其Ｃ／ＳｉＣ复合材料的性能进行了表征，Ｃ纤维具有明显增韧碳化硅的效果，其断裂机制表现为韧性特征。

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。

碳热还原温度对耐高温纤维增强碳化硅多孔材料组织结构的影响（英文）

本研究目的是开发一种耐高温纤维增强碳化硅多孔块状材料.以纤维增强间苯二酚-甲醛/氧化硅复合气凝胶为前驱体,经过1 300～1 500℃碳热还原制备了纤维增强碳化硅多孔材料.采用XRD、SEM、TEM、氮气吸附孔结构分析仪和压汞仪对纤维增强碳化硅多孔材料的物相组成、微观形貌和孔结构进行了表征,结果表明：纤维增强碳化硅多孔材料由β-SiC和莫来石纤维组成,随着碳热还原温度的升高,样品中的SiC纳米晶颗粒团聚成大块,最终在1 500℃生成SiC晶须,升高碳热还原温度会导致样品中大孔的增多和纳米孔的消失以及比表面积的降低.热分析结果表明纤维增强碳化硅多孔材料在空气中的耐温性高达1 300℃.纤维增强碳化硅多孔材料的密度为0.330～0.345 g·cm^-3,孔隙率在89％以上,室温下热导率为0.06～0.07 W· m^-1·K^-1.

碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料的研究进展

对碳化硅纤维(SiC_f)增强陶瓷基复合材料(CMCs)的研究现状与进展作了较系统的论述。讨论了SiC_f增强CMCs的界面层作用,热膨胀系数不匹配对材料的影响,高温抗蠕变抗疲劳性能以及抗氧化性能等。最后指出了SiC_f增强CMCs作为高温结构陶瓷材料的研究方向以及尚等解决的问题。

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。