BN/SiC复合界面层对SiC纤维和PIP-Mini复合材料力学性能的影响

采用化学气相渗透(CVI)工艺,在SiC纤维表面沉积BN和BN/SiC复合界面层,对沉积界面层前后纤维的力学性能进行了评价。采用聚合物浸渍裂解(PIP)工艺进行致密化,制得以原纤维、BN界面层和BN/SiC界面层纤维增强的三种Mini-SiCf/SiC复合材料,研究其微观结构和拉伸性能。结果表明:采用CVI工艺制得的界面层厚度均匀、结构致密,其中BN界面层中存在六方相,晶体尺寸为1.76 nm;SiC界面层结晶性较好,晶粒尺寸为18.73 nm;沉积界面层后SiC纤维的弹性模量基本保持不变,拉伸强度降低。与SiCf/SiC相比,PIP工艺制备的SiCf/BN/SiC和SiCf/(BN/SiC)/SiC-Mini复合材料所能承受的最大拉伸载荷和断裂应变明显提升,BN界面层起主要作用。由断面形貌分析可以看出,SiCf/BN/SiC和SiCf/(BN/SiC)/SiC复合材料的纤维拔出明显,说明在断裂时消耗的能量增加,可承受的最大载荷增大。

SiC_f/SiC复合材料氮化硼(BN)界面层及其复合界面层研究进展

SiC_f/SiC复合材料由SiC纤维、SiC基体和界面层组成。界面层可以传递载荷和偏转裂纹,同时防止SiC纤维受到材料制备和使用过程中的化学侵蚀,对于调节SiC_f/SiC复合材料的性能具有非常重要的作用。本文综述了氮化硼界面层的晶体结构、复合界面层的种类,介绍了化学气相渗透法制备氮化硼(boron nitride,BN)及其复合界面层的工艺条件,总结了先驱体气体比例、载气、沉积压力及温度等工艺条件对界面层沉积速率、微观形貌结构的影响。选择合适的工艺条件,制备理想结构的BN及其复合界面层,将是SiC_f/SiC复合材料界面层研究领域的重点和难点。

考虑界面层和孔隙的SiCf/SiCm复合材料热膨胀性能研究

以三维四向编织SiCf/SiCm复合材料为对象,建立基于周期性边界条件、包含界面层和孔隙的复合材料单胞有限元模型,模型细观结构与工业CT扫描结果一致。计算了材料各个方向的热膨胀系数,发现界面层对纤维束热膨胀系数的影响不可忽略,基体孔隙位置的随机分布对热膨胀系数计算结果没有影响,孔隙率的增加会引起系数的显著减小,对胞元的热应力分析表明纤维束上的热应力水平大于基体。通过自由膨胀加温试验对材料纵向热膨胀系数进行了测定,在室温至1100℃区间内热膨胀性能稳定,试验结果与预测值符合较好。可为含界面层和基体孔隙的三维编织复合材料及其他多孔复合材料热膨胀性能研究提供理论基础。

不同硼源BN界面SiC_(f)/SiC复合材料的工艺性能研究

连续SiC纤维增强SiC基复合材料(SiC_(f)/SiC)具有强度高、模量高、耐高温、抗氧化等优良性能,是航空航天领域极具潜力的高温结构材料。界面相是SiC_(f)/SiC复合材料极其重要的组成部分,具有保护纤维、承受载荷、传递应力等功能,特别是BN界面可有效提高SiC_(f)/SiC复合材料的力学性能。采用硼吖嗪和BCl3两种硼源,先通过化学气相沉积(CVD)工艺分别制备了BN界面层;再通过化学气相渗透(CVI)工艺沉积碳制备了SiC_(f)/C复合材料中间体;最后,通过气相渗硅工艺(VSI)制备SiC_(f)/SiC复合材料。通过红外光谱、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、纳米压痕、纳米CT等手段研究了不同硼源制备BN界面的形貌、结构及其对复合材料性能的影响,探索了VSI工艺前后复合材料性能与结构的关系。所得SiC_(f)/SiC复合材料的弯曲强度最高为294.66 MPa,其孔隙率为1.65%,断裂韧性为14.59 MPa·m^(1/2)。

含(PyC/SiC)n多层界面SiCf/SiC Mini复合材料的制备与拉伸行为

利用CVI法,在两种不同类型的国产SiC纤维束中引入(PyC/SiC)_4或(PyC/SiC)8多层界面,并进一步致密化,制备含不同纤维种类和界面类型的SiC_f/SiCMini复合材料。研究纤维种类和界面类型对SiC_f/SiCMini复合材料力学性能和断裂机制的影响。结果表明:致密化的SiC_f/SiCMini复合材料已形成一个整体,在纤维和基体连接处可观察到明显的界面层,且界面厚度均匀;A/(PyC/SiC)_4/SiC、B/(PyC/SiC)_4/SiC、A/(PyC/SiC)8/SiC三种SiC_f/SiC Mini复合材料的最大拉伸强度分别达到466,350和330 MPa,最终拉伸应变分别达到0.519%,0.219%和0.330%;拉伸断口均有纤维拔出,且随纤维种类或界面类型不同,纤维拔出长度和断口形貌有所差异。其中A/(PyC/SiC)_4/SiC以ModelⅡ断裂机制发生断裂,B/(PyC/SiC)_4/SiC和A/(PyC/SiC)8/SiC以ModelⅠ断裂机制发生断裂。

界面层对C/SiC复合材料热残余应力影响的模拟及分析

针对平纹编织C/Si C复合材料的C纤维束,通过对其扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)照片的测量,考虑纤维排布以及选择合适的界面模型,建立了包含界面层的三维三相的代表特征体元(Representative volume element,RVE)的有限元模型。采用间接耦合的降温法,在考虑温度对组分弹性常数的影响以及施加合适的周期性边界条件的基础上模拟了C纤维束轴向的热残余应力。分析可知,对于Si C基体的热残余应力,其随着界面层厚度的减小而增大,随着界面层模量的增大而增大。引入一维应力分布轴,将振荡幅值作为选择最佳参数的一个条件,据此可知选用热膨胀系数小的界面层材料可更好的降低组分间热残余应力变化的梯度。

KD-S型SiC纤维表面BN界面层Raman光谱研究

由于SiC纤维具有高强度、高模量、强抗化学腐蚀性等优越性能,因此广泛用于陶瓷基复合材料的增强当中。但在高温下制备复合材料,容易使纤维与基体之间形成牢固的附着力,导致复合材料力学性能差,因此需要界面层使纤维与基体间的结合足够弱。BN具有良好的耐热性、抗氧化性和微裂纹自愈合能力,可用于解决SiC纤维增强SiC基复合材料的界面问题。CVD法是常用的制备BN界面层的工艺方法。本文以BCl3-NH_3为原料,在较低温度下通过CVD工艺制备了BN界面层。

不同界面层体系对SiC_f/SiC复合材料性能的影响

主要研究无界面层、裂解碳和氮化硼3种界面层体系对SiCf/SiC复合材料力学性能的影响:首先,三维四向编织的SiC纤维预制体分别经过无界面层处理、裂解碳界面层制备(CVI工艺)和BN界面层制备(PIP工艺)3种不同工艺处理;以聚碳硅烷为原料,采用PIP工艺制备出3种SiCf/SiC陶瓷基复合材料工艺试验件;对工艺试验件的基本力学性进行研究,评价不同纤维预制体处理工艺对材料性能的影响。研究结果表明,无涂层复合材料样品的弯曲强度最高;具有PyC涂层复合材料的弯曲强度略有下降,但断裂韧性较高;具有BN界面层的复合材料弯曲强度和断裂韧性均出现了较大程度的降低。3个样品力学性能的差别主要与纤维/界面层/基体之间作用力有关。本研究结果可以用于SiCf/SiC复合材料构件制造工作中,为制造工艺的初步筛选提供参考依据。

界面层对SiC_f/SiC复合材料力学性能及氧化行为的影响

为研究界面层对SiC_f/SiC复合材料力学性能及氧化行为的影响,采用先驱体浸渍裂解工艺制备了3种不同界面层体系的SiC_f/SiC复合材料。3种界面层分别为热解碳(PyC)、PyC+BN-Ⅰ和PyC+BN-Ⅱ(其中BN-Ⅰ表示B质量分数大约2%,BN-Ⅱ表示B质量分数大约20%)。研究表明,具有PyC界面层的SiC_f/SiC复合材料常温力学性能最高,其常温弯曲强度达到380MPa,而双界面层体系中,SiC_f/SiC复合材料常温弯曲强度分别为282MPa(PyC+BN-Ⅰ)和259MPa(PyC+BN-Ⅱ)。1200℃氧化试验表明,具有PyC+BN-Ⅱ界面层的SiC_f/SiC复合材料弯曲强度保留率最高,为54%。3种不同界面层体系的SiC_f/SiC复合材料在氧化后均表现为脆性断裂。微观结构显示,界面和纤维被氧化是导致材料最终失效的原因;能谱分析表明,具有PyC+BN-Ⅰ和PyC+BN-Ⅱ界面层的SiC_f/SiC复合材料纤维内部未检测到O原子存在,证实BN有保护纤维的作用。

界面层对三维机织角联锁SiC_(f)/SiC复合材料断裂韧性的影响

为探究界面层对SiC_(f)/SiC复合材料性能的影响,选用国产第3代SiC纤维,通过先驱体浸渍裂解工艺制备了热解碳(PyC)、热解碳/碳化硅(PyC/SiC)、氮化硼(BN)、氮化硼/碳化硅(BN/SiC)4种界面层的三维机织角联锁SiC_(f)/SiC复合材料。在此基础上,结合声发射技术对复合材料进行常温断裂韧性测试,并利用扫描电镜对其细观损伤模式进行评价。结果表明:界面层对三维机织角联锁SiC_(f)/SiC复合材料的断裂强度和断裂韧性有强决定作用,但对其初始模量没有太大的影响;以PyC层为主界面层的试样具有良好的断裂韧性,试样P-SiC_(f)/SiC和P/S-SiC_(f)/SiC的断裂韧性分别为13.99和16.93 MPa·m^(1/2),而试样B-SiC_(f)/SiC表现出强界面结合,具有最低断裂韧性6.47 MPa·m^(1/2);但在界面引入SiC层后,试样B/S-SiC_(f)/SiC的断裂韧性显著提高至15.81 MPa·m^(1/2);声发射能量和撞击数可完整描述SiC_(f)/SiC复合材料的实时损伤过程。

CVD BN界面层对Si_(3)N_(4)/SiBN复合材料弯曲性能的影响

连续Si_(3)N_(4)纤维以其优异的热稳定性、高温力学性能和介电性能,被认为是耐高温陶瓷基透波复合材料的候选材料之一。采用连续Si_(3)N_(4)纤维为增强体,以BCl_(3)+NH_(3)+H_(2)+Ar反应体系,利用化学气相沉积工艺在Si_(3)N_(4)纤维表面制备了BN界面层,并以聚硅硼氮烷为陶瓷先驱体,通过先驱体浸渍裂解工艺制备了Si_(3)N_(4)/SiBN复合材料。研究了CVD BN界面层的合成及其对Si_(3)N_(4)/SiBN复合材料弯曲性能的影响。结果表明:在Si_(3)N_(4)纤维表面获得了均匀致密的BN界面层,该界面层有效改善了复合材料中纤维/基体的界面结合力,复合材料显示出典型的韧性断裂特征。当界面层的厚度为200 nm时,Si_(3)N_(4)/SiBN的弯曲强度和断裂韧性分别为182.3 MPa和17.3 MPa·m^(1/2),比无涂层的复合材料分别提高了59.6%和94.4%。

界面对纳米SiC/LAS陶瓷复合材料微波介电性能的影响

利用激光诱导法制备的纳米 Si C和 LAS玻璃粉米 ,采用热压法制备纳米 Si C/ LAS陶瓷复合材料 ,研究了纳米 Si C/ LAS陶瓷复合材料微波介电性能与纳米 Si C含量、烧结温度以及碳界面层的关系。结果表明 ,在 1 0 80℃以下烧结温度对陶瓷致密度的影响较大而对陶瓷复介电常数的影响较小 ;但在 1 0 80℃以上烧结温度对烧结致密度的影响较小 ,而对陶瓷复介电常数的影响较大 ,复合材料复介电常数的实测值与计算值之间存在很大的差异。通过计算和分析认为 ,复合材料制备过程中纳米尺度的 Si C促进了碳界面层形成 。

航空发动机SiC_(f)/SiC复合材料与环境障涂层系统及制备技术研究进展

轻质耐高温的碳化硅纤维增韧的碳化硅基复合材料及其环境障涂层(SiC_(f)/SiC CMCs+EBCs)系统在航空发动机不断攀升的涡轮前温度面前展现出了极大潜力,经过20多年的研发,CMC/EBC部件已成功用于现役航空发动机高温端,新的研究也层出不穷。SiC_(f)/SiC CMCs+EBCs系统的关键制备工艺包括纤维制备、预制体编织、界面层制备、基体增密和涂层。纤维质量、预制体结构和界面层性能决定了CMC的力学性能,而基体和EBC左右了系统的抗氧化性和环境稳定性。在新型先驱体/新工艺/新涂层材料开发、编织结构优化、原材料利用率和工艺稳定性等方面,CMC/EBC制备技术还有进一步提高的空间。

CVD-PyC界面层和SiC涂层厚度数学计算模型的建立与验证

建立了合适的化学气相沉积碳界面层厚度数学计算模型和SiC涂层厚度数学计算模型,并通过工艺实验对该模型进行了验证。结合实验结果分析,发现通过该模型计算出的化学气相沉积碳界面层厚度和SiC涂层厚度与SEM照片分析结果基本接近,因此可利用上述模型估算出C/SiC复合材料产品的化学气相沉积碳界面层厚度和SiC涂层厚度,快速评估C/SiC复合材料产品化学气相沉积质量能否满足实际工况使用要求。

界面改性对SiC_f/Cu基复合材料热膨胀性能的影响

研究了SiCf/Cu基复合材料分别在有无Ti6Al4V界面改性涂层两种情况下的纵向热膨胀行为,并采用扫描电镜对热循环后的试样进行显微形貌观察。结果表明,界面结合强度对纤维增强金属基复合材料的纵向热膨胀行为有很大影响。对于没有Ti6Al4V涂层的复合材料,其热膨胀行为不稳定,在经历连续两次热循环后,其纵向均表现为正的残余应变,原因是基体发生了严重的界面脱粘、滑移和膨胀;而对于有Ti6Al4V涂层的复合材料,其纵向热膨胀系数明显减小,两次热循环后其尺寸保持稳定,纤维/基体界面结合也保持稳定。

SiC纤维束界面层连续化学气相沉积设备研制

SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料具有低密度、耐高温、高强韧性的优异性能,是新型航空发动机热端部件的理想结构材料。界面层决定了SiCf/SiC复合材料增韧效果等关键性能,其制备对于复合材料工程化应用至关重要。我国在SiC纤维束界面层制备的研究应用方面明显滞后,存在的主要问题之一是缺乏可连续化学气相沉积制备均匀、一致、质量稳定的界面层的设备。针对该问题,设计了可在SiC纤维束基体上连续沉积界面层的设备;通过纤维运送机构实现了SiC纤维束的连续运送,且速度、张力可控,同时对设备的低压密封系统提出了气氛分隔设计,实现了将反应气氛约束在反应区内的目的,并通过模拟仿真进行了验证。

SiCf/SiC复合材料高温水氧腐蚀性能研究

采用2.5D方式编织SiCf/SiC复合材料预制体,CVI工艺制备PyC界面层,CVI-PIP复合工艺制备SiCf/SiC复合材料基体,在1300℃、50%水汽/50%O 2混合气体的条件下对SiCf/SiC复合材料进行高温水氧腐蚀试验,对SiCf/SiC复合材料在腐蚀前后的相成分变化及微观组织变化进行评价,并探讨了其在高温水氧腐蚀条件下的性能退化机理。结果表明,PyC界面层易被氧化生成气体产物从而留下间隙,该通道为外界腐蚀性气体如水汽、氧气进入复合材料内部侵蚀其纤维、基体等提供捷径。

界面层对陶瓷基复合材料性能的影响

纤维增强SiC陶瓷基复合材料由纤维、界面层和SiC基体组成。界面层可以传递载荷和偏转裂纹,同时防止纤维受到材料制备和使用过程中的化学侵蚀,对于调节SiC陶瓷基复合材料的各项性能具有非常重要的作用。本文在叙述界面层功能的基础上,讨论了界面层对陶瓷基复合材料的力学、耐高温及抗氧化性能的影响,并分析了研究中存在的问题,指出了未来研究的方向和重点。

Si_3N_4-TiN/BN层状陶瓷材料阻力曲线及其增韧机制的研究

通过压痕小裂纹直接量测法获得Si3N4-TiN/BN层状复合材料的阻力曲线 ,并采用指数经验公式拟合处理了实验数据 ,解释了各拟合参数的物理意义 .对层状复合材料阻力曲线所具有的独特的台阶状进行了分析 ,并对层状复合材料具有高韧性的机理作了深入的研究 .结果表明弱间层的层状结构具有明显的增韧效果 .这是由于弱间层的存在将出现裂纹偏转现象 ,吸收大量的断裂功 ,从而大幅度提高了裂纹的扩展容限 ,使断裂韧性有较大增长 .

SiC纤维增强复合材料基体裂纹偏移机理的有限元分析

运用基于能量的裂纹偏移准则,分别建立了两相和三相复合材料基体裂纹偏移/穿透的轴对称有限元模型,考察了纤维体积分数、描述材料特性弹性失配的Dundurs参数α和相对裂纹扩展长度ad/ap对相对能量释放率Gd/Gp的影响。将两相复合材料的有限元结果与He等人的结果进行对比,进一步考察了三相复合材料界面层厚度和Dundurs参数α1和α2对Gd/Gp的影响。分别将碳涂层SiC纤维增强复合材料SiC/C/Ti-6A1-4V和碳涂层陶瓷基增强复合材料SiC/C/SiC运用于有限元分析中,结果表明,所建立的模型能够准确地预测和比较基体裂纹偏移的机理。