连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料低成本制备工艺研究进展

连续纤维增强陶瓷基复合材料具有低密度、高强度、耐高温等优异性能,已被广泛应用于航空航天、国防军工和新兴民用等领域,但连续纤维增强陶瓷基复合材料制备工艺大多存在成本较高、周期过长等问题,限制其应用和推广,发展低成本制备工艺是推动连续纤维增强陶瓷基复合材料广泛应用的关键。本文简要介绍了连续纤维增强陶瓷基复合材料制备工艺现状,总结了反应熔渗、纳米浆料浸渗瞬时共晶、浆料浸渗结合热压等低成本工艺的研究现状,围绕制备工艺优化、复合材料微观结构和性能等方面进行综述,提出了低成本制备工艺的未来研究方向,如熔盐法制备超高温陶瓷界面和反应诱导相分离制备具有孔隙结构均匀的多孔基体,可显著提升连续纤维增强陶瓷基复合材料的综合性能。

3D打印纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料研究现状及展望

碳化硅陶瓷是一类先进结构材料,具有低密度、高强度、耐腐蚀等优点,然而,碳化硅陶瓷自身的高硬度、高脆性导致其复杂结构件难以制造。3D打印技术的发展为复杂异形陶瓷构件的成形开辟了新途径,但与注射、等静压、凝胶注模等方法相比,其力学性能仍有不足。纤维增强是一类提高碳化硅陶瓷材料力学性能的可靠方法,纤维的引入不仅提高了碳化硅陶瓷的强度,而且改善了碳化硅陶瓷材料的韧性。因此,3D打印纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料逐渐成为研究热点。本文对国内外纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料3D打印技术的最新研究进行了回顾,总结了用于3D打印碳化硅陶瓷增强的纤维种类和纤维预处理方法;依据纤维的连续性对纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的3D打印工艺进行了概括,分析了各种3D打印工艺制备的碳化硅陶瓷基复合材料的力学性能,并介绍了3D打印纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的应用领域,对未来发展方向作出了展望。旨在为碳化硅陶瓷基复合材料的增材制造技术研究提供参考。

硅溶胶强化辅助制备C纤维增韧氧化铝结合莫来石陶瓷基复合材料

通过氧化铝先驱体溶液循环浸渍热解结合硅溶胶浸渗强化的方法制备了三维C纤维预制体增韧的氧化铝结合莫来石陶瓷基复合材料 ,研究了氧化铝浸渗工艺对试样增重率、气孔率以及热处理温度对试样内气孔尺寸和分布的影响 ,分析了复合材料物相、微结构以及复合材料的力学性能。结果表明 ,硝酸铝饱和溶液浸渗纤维预制体并热解后试样的增重率和开气孔率呈类似抛物线曲线 ;由于硝酸铝分解生成氧化铝的煅烧温度不同 ,氧化铝晶态及物理特性不同 ,试样内气孔尺寸和分布差别较大 ;选择经过 115 0℃预处理的试样进行硅溶胶浸渗 ,然后 14 0 0℃处理 2h ,氧化硅与氧化铝完全反应生成莫来石 ,获得了较为致密的复合材料 ,室温三点弯曲强度和断裂应变分别为 180MPa和 2 .2 %。

连续纤维增强陶瓷基复合材料3D打印:研究进展与挑战

连续纤维增强陶瓷基复合材料(continuous fiber reinforced ceramic matrix composites,CFRCMCs)具有低密度、高强度、优异的高温稳定性与化学稳定性等性能,在航空航天、核工业、化工以及交通运输等领域都有着重要应用。近几年,3D打印技术的发展为复杂异形CFRCMCs构件的预制体成形提供了创新途径。然而CFRCMCs的3D打印技术仍处于起步阶段,面临着成形设备、成形工艺和成形原理等方面的重大挑战。因此,对CFRCMCs的3D打印研究进展与挑战进行归纳与分析具有重要意义。本文首先对常见3D打印技术进行简单介绍;其次,总结CFRCMCs的3D打印研究进展,具体包括基于热塑性原料的熔融沉积3D打印、基于水系浆料的墨水直写3D打印、机械辅助的墨水直写3D打印、基于光敏浆料的光固化3D打印等;最后,从纤维与陶瓷界面、缺陷表征与控制、陶瓷化与致密化、自动化与智能化制造、结构功能一体化、4D打印、自修复以及标准等方面对CFRCMCs的3D打印挑战进行分析。期望为CFRCMCs 3D打印相关的基础科学与关键技术研究提供一定参考与指导。

烧结助剂对C_(sf)/SiC-BN-ZrC-ZrB_(2)多相陶瓷基复合材料组织性能的影响

在制备C_(sf)/SiC-BN-ZrC-ZrB_(2)多相陶瓷基复合材料时,如何有效促进其烧结致密化过程,同时减少对碳纤维的损伤一直是该复合材料工程应用中面临的一大难题。通过在原料中添加B_(4)C-C_(g)、Al_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)、酚醛树脂等烧结助剂,采用热压工艺制备了C_(sf)/SiC-BN-ZrC-ZrB_(2)复合材料。采用XRD、SEM、EDS、力学性能测试等方法详细研究了烧结助剂类型及含量对复合材料微观组织、力学性能、碳纤维结构等的影响规律。结果表明,添加B_(4)C-C_(g)(2 wt.%)能够在一定程度上缓解碳纤维受到的损伤,复合材料的断裂韧度达7.39 MPa·m^(1/2),且呈现非脆性断裂模式。当B_(4)C-C_(g)的含量为4 wt.%时,过量的烧结助剂无助于复合材料力学性能的继续提高,也无法更加有效地避免碳纤维受到的侵蚀损伤。添加酚醛树脂加大了碳纤维与陶瓷基体之间分散的难度,纤维出现严重的团聚、架桥等现象,致使复合材料力学性能下降。添加Al_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)能显著提高复合材料的弯曲强度(σbb=147.45 MPa),但生成的YAG相对碳纤维侵蚀严重,纤维的拔出长度较短且表面粗糙,复合材料的断裂韧度为6.94 MPa·m^(1/2)。添加B_(4)C-C_(g)可以适当消除陶瓷粉体表面的氧化膜和杂质,促进原子扩散和复合材料致密化,同时能够在一定程度上减轻碳纤维受到的反应侵蚀损伤现象。

莫来石短纤维增强ZL109铝基复合材料的时效行为

通过测试硬度的方法，对莫来石短纤维增强ＺＬ１０９复合材料的时效析出行为进行了研究。结果表明，由于莫来石短纤维的加入，使复合材料峰值时效硬度明显高于基体。复合材料与基体从固溶态到峰值硬度的时效动力学曲线满足指数关系。增强体的加入既能加速时效前期沉淀析出又可加快时效后期复合材料的软化，但不改变基体沉淀相的析出顺序，而只影响其析出速度。

连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料研究

采用化学气相浸渗法制造了连续碳纤维和碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料 ,并对复合材料的显微结构和力学性能进行了研究 .C/SiC和SiC/SiC复合材料的密度分别为 2 .1g/cm3和 2 .5 g/cm3,在断裂过程中表现出明显的非线形和非灾难性的断裂行为和规律 .C/SiC和SiC/SiC弯曲强度分别为 45 0MPa和 860MPa ,从室温至 160 0℃强度不发生降低 ;断裂韧性为 2 0MPa·m1 / 2 和 41.5MPa·m1 / 2 ,断裂功为 10kJ·m- 2 和 2 8.1kJ·m- 2 ,冲击韧性为 62 .0kJ·m- 2 和 3 6.0kJ·m- 2 .C/SiC和SiC/SiC复合材料具有优异的抗热震性能 ,经 13 0 0℃ 3 0 0℃ ,5 0次热震后 ,强度保持率高达 96.4% ,热震不是材料性能损伤的控制因素 .而SiC/SiC复合材料优异的抗氧化性能 ,对温度梯度不敏感 .

莫来石纤维增强铝基合金复合材料在干滑动条件下的摩擦磨损特性

在ＭＭ－２００型磨损试验机上，研究了以挤压铸造法制备的莫来石（３Ａｌ２Ｏ３２ＳｉＯ２）纤维增强的ＺＬ１０９合金复合材料在干滑动条件下的摩擦磨损特性．结果表明：在给定的试验条件下，这种复合材料与４５＃钢对摩时的摩擦因数是随载荷的升高而减小，当载荷高于３０Ｎ时，摩擦因数基本稳定为０．３４；在载荷低于４０Ｎ的情况下，复合材料的耐磨性比ＺＬ１０９合金的好，磨损主要是粘着磨损和磨粒磨损，而在载荷高于４０Ｎ的条件下，复合材料的耐磨性反而比ＺＬ１０９合金的差，此时发生的除粘着磨损和磨粒磨损外，更主要的是层离剥落．此外，还通过对复合材料磨损表面、磨屑和亚表层的扫描电子显微镜分析，建立了高载荷条件下复合材料层离剥落过程的模型示意图．

连续纤维补强增韧碳化硅基陶瓷复合材料研究进展

连续纤维补强增韧碳化硅基陶瓷复合材料具有密度低、强度和韧性高、抗氧化、耐高温等综合性能,已在国外宇航领域得到了广泛的应用。综述了国内外连续纤维补强增韧 C/SiC 陶瓷复合材料的研究进展,主要包括国内外在增韧机理、基体复合技术、界面技术以及应用等方面的研究进展情况。

连续纤维增强陶瓷基复合材料概述

八十年代以来 ,连续纤维增强陶瓷基复合材料以其优异的性能特别是高韧性 ,得到世界各国的极大关注和高度重视 ,并取得令人瞩目的发展。纤维增强陶瓷基复合材料已开始在航空、航天、国防等领域得到应用。本文从复合材料的增韧机制、制备方法。

陶瓷-尼龙纤维水泥基复合材料力学性能研究

研究了单一陶瓷纤维、单一尼龙纤维及陶瓷尼龙混杂纤维水泥基复合材料的力学性能．结果表明：单一陶瓷纤维在３％体积掺量时，２８ｄ抗压强度可提高４４％左右，抗折强度可提高７％～８％，抗冲强度可提高约１６％；０．０５％体积掺量的尼龙纤维使砂浆干缩开裂减小３０％～４０％；０．５％～２％体积掺量的尼龙纤维使砂浆抗冲强度提高到２～３倍．陶纤和尼纤体积掺量分别为２％～３％和０．２５％～１％的混杂纤维水泥基复合材料在拌和物流动性可取的情况下抗压、抗折、抗冲综合性能较好．

纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的界面区研究

在连续纤维增强陶瓷基复合材料中,界面调节脆性基体与脆性纤维之间匹配关系的功能以及自身特有的物理化学性质,决定着复合材料的整体综合效能。本研究从实践中发现界面区的存在,并尝试提出界面区的概念。界面区是具有一定厚度,含有两处界面(界面相/基体和界面相/纤维)和体相(界面相)的区域。采用透射电子显微技术从微结构的角度研究了3DC/SiC内界面区与裂纹的相互作用行为。TEM观察表明,由于裂纹偏斜/贯穿竞争随时空的推演,基体主裂纹会在界面区的多处位置产生单多重偏斜、裂纹尖端前方应力集中诱发脱粘和开裂、纳米尺度微裂纹桥连等相互作用,其发生的具体部位和方式由界面区内各种相关界面(或断裂)韧性共同决定。此外,结合影响因素的讨论,初步建立起3DC/SiC内基体裂纹与界面区相互作用的物理模型。

流延法制备短纤维增强玻璃陶瓷基复合材料

研究了短纤维增强玻璃陶瓷基复合材料制备工艺中的短纤维分散和单向纤维预浸片制备。结果表明：在聚乙稀醇水溶液与乙二醇的混合分散介质中，采用搅拌法可以得到短纤维的均匀分散，分散介质的触变性对于均匀分散体系的获得与保持是十分必要的；流延法有利于控制短纤维预浸片中纤维的取向。单向预浸片热压获得了高强韧性的复合材料试样。

纤维增强陶瓷基复合材料

本文对国外纤维增强陶瓷基复合材料的研究现状、发展方向作了综述。从纤维、基体的各自固有性质和两者间的热物理化学的相容性以及其制备技术几个方面出发,说明了对纤维增强陶瓷基复合材料性能的影响。

先驱体转化法制备连续纤维增强陶瓷基复合材料的研究

综述了先驱体转化法制备连续纤维增强陶瓷基复合材料在先驱体、致密化工艺、微观结构、性能等方面的国内外研究情况 。

单向纤维增强陶瓷基复合材料单轴拉伸行为

采用细观力学方法对单向纤维增强陶瓷基复合材料的单轴拉伸应力-应变行为进行了研究。采用Budiansky-Hutchinson-Evans(BHE)剪滞模型分析了复合材料出现损伤时的细观应力场,结合临界基体应变能准则、应变能释放率准则以及Curtin统计模型三种单一失效模型分别描述陶瓷基复合材料基体开裂、界面脱粘以及纤维失效三种损伤机制,确定了基体裂纹间隔、界面脱粘长度和纤维失效体积分数。将剪滞模型与3种单一失效模型相结合,对各个损伤阶段的应力-应变曲线进行模拟,建立了准确的复合材料强韧性预测模型,并讨论了界面参数和纤维韦布尔模量对复合材料损伤以及应力-应变曲线的影响。与室温下陶瓷基复合材料单轴拉伸试验数据进行了对比,各个损伤阶段的应力-应变、失效强度及应变与试验数据吻合较好。

连续纤维增强陶瓷基复合材料的研究进展

从基体和纤维的选择、增韧机理、制备工艺等方面综述了国内外连续纤维增强陶瓷基复合材料(FRC-MC)的研究现状。介绍了纤维增韧陶瓷的几种主要增韧机制。着重阐述热压烧结法、化学气相渗透法、反应熔体浸渗法、先驱体转化法和溶胶-凝胶法等复合材料的制备工艺和原理,并分析各种制备工艺的优缺点。概述了连续纤维增强陶瓷基复合材料近年来在航空航天发动机、刹车系统、轻型光学反射镜及热保护系统等领域的应用。最后指出有待解决的问题和今后的主要研究方向。

纤维增韧陶瓷基复合材料界面相的作用及其设计

本文综述了陶瓷基复合材料界面相的作用及其设计。指出：陶瓷基复合材料的界面性能决定其力学响应。界面相的保护作用要求其具有化学相容性和高温稳定性。通过对界面相材质的选择、组织结构及其厚度的控制进而可调节脱粘面上的滑移阻力。

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。

自愈合碳纤维增强陶瓷基复合材料研究进展

模拟生物自愈合的机理与过程制备出具有自愈合能力的碳纤维增强陶瓷基复合材料,是提高其高温抗氧化性的重要途径。本文在总结近年国内外研究的成果的基础上,简要介绍了自愈合机理,总结了影响愈合能力的主要因素,重点阐述了三种类型的自愈合单元的成分与性能,并对未来自愈合碳纤维增强陶瓷基复合材料的发展趋势进行展望,指出未来自愈合复合材料的发展方向主要是新型全温区自愈合单元的研制和多种自愈合单元的复合应用实现全方位防御体系来进一步提高使用温度。