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。

可陶瓷化酚醛树脂基复合材料烧蚀隔热性能研究

为了提高酚醛树脂基复合材料的烧蚀隔热性能,本研究采用陕西太航高残碳热固性硼酚醛树脂(THC)系列为基体,芳碳混编布为增强相,通过添加不同比例的锆系功能性填料(陶瓷化助剂)以制备可陶瓷化酚醛树脂基复合材料.通过对改性树脂进行热失重、残碳率、导热系数和线烧蚀率的性能测试分析并辅以扫描电子显微镜(SEM)表征.研究结果表明,加入填料,在500℃以下对材料的残碳率影响不大,500℃以上能显著提高复合材料的烧蚀隔热性能,且随着填料占比的增加,影响越明显.由于填料添加量>9%后会存在溶解困难,因此适用于工业生产制造的优选添加量为7%.

缠绕型碳纳米管增强陶瓷基复合材料的有效刚度和应力分析

以直线型、余弦波型和缠绕型空心碳纳米管增强陶瓷基复合材料的三维特征体积单元模型为研究对象,利用满足精确周期性边界条件的均质化法计算该模型的有效弹性模量和局部应力,分析碳纳米管的几何形状、尺寸和力学特性对碳纳米管复合材料力学性能的影响,并与经典混合法则、Halpin-Tsai法及其他数值模拟的结果进行对比.结果表明:碳纳米管的几何缠绕特性对横向变形有较好的限制作用;缠绕型复合材料的力学性能呈曲线变化,比直线型和余弦波型碳纳米管复合材料更容易受几何特性的影响:缠绕型碳纳米管的最大轴向应力和最大等效应力随碳纳米管外径的增大而增大,但碳纳米管的各向异性会降低碳纳米管的最大应力,导致缠绕型碳纳米管复合材料传递应力的能力减弱;双尺度均质化法和有限元法结合能有效反映力学性能的变化特征,是分析具有复杂微观结构力学性能的有效方法.

化学气相渗透工艺制备陶瓷基复合材料

综述了采用化学气相渗透(chemical vaporinfiltration,CVI)工艺制备陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites,CMCs)的模拟与可视化、柔性与鲁棒性以及强韧性控制与设计等研究的进展和趋势.陶瓷基复合材料气相制造过程模拟涉及气体传输、反应热力学与动力学、预制体的孔隙结构建模等理论,是一个典型的多尺度和多物理场问题.运用量子化学、化学热力学、微观动力学、有限元、水平集和人工智能等方法,实现了复合材料致密化过程的模拟和成分分析,更加精准地反映了气体在多孔预制体中的各向异性传输和沉积过程,为工艺优化提供更准确的控制参数.CVI工艺制备陶瓷基复合材料具有柔性与鲁棒性等工艺特性,包括应用广泛性,可控制、可调整与可设计性,可连接与可组装性,可纠错、可修复与可兼容性等诸多特性,适用于陶瓷基复合材料微结构的调控,是陶瓷基复合材料领域最先进的基础制造方法.陶瓷基复合材料的强韧性一直是其发展中的核心问题,增强体纤维、基体及二者界面之间的模量匹配,以及热残余应力和纤维基体体积分数等参数的设计与控制是这个核心问题的关键.通过合理控制与设计这些参数,可以实现陶瓷基复合材料的强韧化控制与设计,从而适应不同使用环境条件的需求.

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 。

活性填料在先驱体转化法纤维增强陶瓷基复合材料中的应用Ⅰ .复合材料的致密化模型

在先驱体转化陶瓷基复合材料的制备中,坯体在裂解前后的体积发生变化。引入体系体积收缩率参数,对单一先驱体转化纤维增强陶瓷基复合材料致密化模型进行了修正。同时,分别对含惰性填料和/或活性填料的先驱体浆料浸渍-裂解纤维增强陶瓷基复合材料致密化进行了模型分析。从理论上揭示了复合材料的浸渍-裂解周期与材料的理论密度和理论孔隙率之间的关系。当先驱体浆料中含有活性填料时,复合材料的理论密度和理论孔隙率与活性填料的反应陶瓷产率、反应密度比、体积收缩率有密切的数学关系。在先驱体中引入活性填料比引入惰性填料能更为有效地提高材料的密度,降低材料的孔隙率。

三维碳化硅/碳化硅陶瓷基编织体复合材料

采用化学气相浸渗法（ＣＶＩ），制备出三维Ｈｉ－ＮｉｃａｌｏｎＳｉＣ／ＳｉＣ陶瓷基编织体复合材料．经３０ｈ ＣＶＩ致密化处理后，复合材料的密度达到 ２５９·ｃｍ－３，所研制的三维 ＳｉＣ／ＳｉＣ复合材料不仅具有较高的强度，而且表现出优异的韧性和类似金属材料非灾难性的断裂特征．复合材料的主要力学性能指标为：弯曲强度 ８６０ＭＰａ，断裂位移 １．２ｍｍ，断裂韧性４１．５ＭＰａ·ｍ１／２，断裂功２８．１ｋＪ·ｍ－２，冲击韧性３６．０ｋＪ·ｍ－２．

提高短切碳纤维对陶瓷基复合材料TiC-TiB_2强韧化的研究

对采用SHS/PHIP技术制备的Cf/TiC-TiB2陶瓷基复合材料中存在短切碳纤维损伤严重,补强增韧效果不明显的原因进行分析研究。研究发现:在B4C+3Ti+Cf体系的SHS反应过程中,由于反应温度太高,使短切碳纤维表面的碳原子与钛粉之间发生化学反应,造成短切碳纤维表面的化学损伤,影响短切碳纤维的性能,进而影响其补强增韧的效果。在SHS反应过程中,防止或减少短切碳纤维化学损伤的主要途径就是添加稀释剂来降低反应温度。在B4C+3Ti+xCf TiC+2TiB2+xCf体系中,通过向反应物中添加稀释剂镍可以有效地防止或减少短切碳纤维的化学损伤,改善各相之间的接触状况,提高各相之间的界面强度,提高短切碳纤维补强增韧的效果。

碳化硅陶瓷基复合材料的自愈合及结构吸波一体化研究进展

为满足高推重比航空发动机在长时热力氧化环境下的使用需求和航空发动机关键热结构部件的隐身需求,碳化硅陶瓷基复合材料正朝着自愈合抗氧化、兼具承载和吸波性能的结构吸波一体化发展。本文分别介绍了碳化硅陶瓷基复合材料在强韧化、自愈合抗氧化、电磁波吸收三方面的设计原则,综述了在这三方面的研究现状。一种材料同时具有高强度高韧性、自愈合抗氧化和吸收电磁波三方面的性质将是结构功能一体化CMC-SiC未来发展的大趋势。

化学气相渗透工艺(CVI)制备陶瓷基复合材料的进展研究

通过5种CVI方法,即通过不同工艺参数控制方法,可获得制备周期短、密度高、致密化速率高和密度梯度小的复合材料,可用于不同结构形式的预制体基体(Si C)致密化。此外,CVI工艺是制备界面层(Py C和BN)的最佳工艺,若与PIP、MI等工艺配合使用,可达到最优效果,是未来该领域发展的主要方向。

原位合成TiB_2-TiC陶瓷基复合材料

分析了 Ti B2 - Ti C陶瓷基复合材料的原位生成机理 ,利用普通的热压烧结设备 ,以 Ti H2 - B4C为原料原位合成了高性能的 Ti B2 - Ti C陶瓷基复合材料。 TEM和 X射线衍射的研究结果表明 :原位合成的复合材料中 Ti B2 为长柱状的显微形貌 。

Al(Cr)_2O_3-Cr(Mo)陶瓷基复合材料的制备与组织

在Al-Cr2O3体系中引入稀释剂(Al2O3、Cr2O3)和反应性添加剂(MoO3)。利用热爆式燃烧合成法成功制备了含有细小棒状金属相共晶体的Al(Cr)2O3-Cr(Mo)陶瓷基复合材料。探讨了反应体系成分和制备工艺对复合材料微观组织的影响。对燃烧合成熔体施加1.26 MPa压力,致密度可达90%左右。陶瓷基体具有3种形态:边界较圆整的块状,细小的、按一定的取向交叉排列的长条状以及粗大的长条状。金属相以颗粒状分布在陶瓷晶体内或晶界处,或与陶瓷相形成共晶组织。产物的共晶体呈准规则的结构,细小棒状的金属相弥散分布在连续的陶瓷基体中。共晶体的分布具有区域性。原位生成的长条状陶瓷晶粒及金属相呈棒状的共晶结构是制得的复合材料的重要组织特征。

陶瓷/碳纳米管复合材料的制备、性能及韧化机理

评述和讨论了碳纳米管增强陶瓷基复合材料的制备工艺,包括碳纳米管在陶瓷基体上的分散和材料的烧结成型,添加碳纳米管后材料力学性能、导电和导热等物理性能的改善以及韧化机理,指出碳纳米管在陶瓷材料基体上的均匀分散,碳纳米管在组织中存活,碳纳米管与陶瓷基体的界面结合状态是影响碳纳米管增强陶瓷基复合材料性能提高的关键.

陶瓷材料的韧化及其增韧机理(二)——SiC、Si_3N_4陶瓷和陶瓷复合材料的韧化

本文主要综述了晶粒形状、晶粒大小、晶界特性、气孔率和超显微结构对SiC、Si_3^-N_4陶瓷韧化的影响规律及作用机制;另外还分析了陶瓷复合材料和晶须的强韧化机理,主要介绍了裂纹转向机理、晶须(或纤维)拉脱机理及复合增韧机理。

SiCf/Si_(3)N_(4)复合材料界面层优化

采用化学气相渗透工艺制备SiC纤维增韧Si_(3)N_(4)基复合材料(SiCf/Si_(3)N_(4)),通过调节BN界面层厚度对其力学性能进行优化,利用透射电镜和扫描电镜对其微结构进行表征,结合有限元分析阐明力学性能演变规律。结果表明:随着BN界面层厚度从290 nm增加到550 nm,复合材料的弯曲强度从(190±39)MPa提高到(317±28)MPa,断裂韧度从(7.3±1.6)MPa·m^(1/2)提高到(14.7±0.5)MPa·m^(1/2),拉伸强度从(89±3)MPa提高到(176±17)MPa;随着BN界面层厚度的增加,纤维所受到的残余应力快速变小,应力失配得到有效缓解,材料表现出更好的力学性能。

SiC_W／ZTA（Y）陶瓷基复合材料致密化过程的研究

用粉末冶金制备ＳｉＣＷ／ＺＴＡ（Ｙ）复合材料．致密化是工艺的关键．本文研究了ＳｉＣＷ／ＺＩＡ（Ｙ）陶瓷基复合材料热压致富化的基本过程，发现晶须补强陶瓷基复复合材料的致密化可分为快速致富化、致富化减速、趋于终极密度等三个阶段．分析发现，热压工艺对陶瓷复合材料的终极密度有重要的影晌．虽然ＳｉＣ晶须对陶瓷材料有良好的补强作用，但晶须的存在明显地阴碍复合材料的致密化．优化热压工艺就可以获得致富化程度高、基体晶粒不粗化的陶瓷复合材料．

陶瓷基复合材料的烧结模型及常压烧结研究

本文综述了陶瓷基复合材料致密化过程及其影响因素以及烧结过程中常出现的一些现象。介绍了几种含刚性夹裹体的陶瓷致密化过程模型,讨论了包括基体与夹裹体性能及基体夹裹体间作用在内的影响陶瓷基复合材料致密化的因素。为制备高致密度晶态陶瓷基体复合材料推荐了一种成型工艺和一种制备过程。

“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术”获国家技术发明一等奖

日前，西北工业大学张立同院士等发明的“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术”项目获得2004年国家技术发明一等奖。该项目提出的“陶瓷基复合材料新型强韧化理论”，冲破了国际上“纤维性能越高越好”和“复合材料越致密越好”的误区，成为“高性能、低成本制备技术”核心发明的理论支撑，整体技术跻身国际先进行列，

可陶瓷化酚醛树脂复合材料研究进展

可陶瓷化酚醛树脂复合材料是一种由酚醛树脂基体、成瓷填料、助熔剂等填料组成的新型耐热材料,这种材料可在高温中形成陶瓷层,起到隔绝氧气和热量的作用,提高材料的耐热性能。从可陶瓷化酚醛树脂复合材料的主要填料和酚醛树脂耐热改性两方面进行综述,并对可陶瓷化酚醛树脂复合材料的未来进行了展望。

共熔法制备超高温陶瓷基复合材料

首次采用共熔法制备超高温陶瓷基复合材料,三个样品初始组分分别为ZrB_2与鳞片石墨,ZrB_2、TaB_2、SiC及鳞片石墨,ZrB_2、MoSi_2与鳞片石墨。研究结果表明,共熔法制备的复合材料中各相分散均匀,产物中的石墨高度有序,石墨层间距分别为0.335 4、0.335 9与0.337 7 nm,且三者的微晶厚度分别为63.4、51.5及68.7 nm,拉曼光谱结果表明硼已经掺杂进入了石墨的网格结构。所制得的超高温陶瓷基复合材料样品中均存在一定的孔隙率,且制备的超高温陶瓷基复合材料的热导率较低。该方法为一种新型、快速、一步法制备超高温陶瓷基复合材料工艺。