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。

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。

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。

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。

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。

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。

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 .

界面相对碳纤维增韧碳化硅复合材料性能的影响

利用减压CVI技术制备了三维碳纤维增韧碳化硅复合材料 ,研究了热解碳界面相对复合材料性能的影响 .结果表明 :适当选择界面相厚度 ,可获得弯曲强度和断裂韧性都较高的碳纤维增韧碳化硅复合材料 .从界面相厚度对界面结合强度和脱粘面上的滑移阻力的影响出发 ,解释了热解碳界面相厚度对复合材料的应力 -位移曲线形状及断裂形式的影响 .

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。

CVI法制备三维碳纤维增韧碳化硅复合材料

利用三维编织的碳纤维预制体，采用等温ＣＶＩ的方法制备出了碳纤维增韧碳化硅复合材料。对于无碳界面层的复合材料（Ｃ／ＳｉＣ），弯曲强度和断裂韧性随密度的提高而提高，最大值分别为５２０ＭＰａ和１６．５ＭＰａ·ｍ１／２。密度高的复合材料呈明显的脆性断裂，而密度较低的材料在断裂过程中存在纤维束的拔出而表现出韧性断裂行为。密度较高和无碳界面层的复合材料，经１５５０℃高温处理后，弯曲强度明显降低（３５０ＭＰａ），但在断裂过程中由于存在大量的纤维拔出，而表现出韧性断裂行为。存在碳界面层的复合材料（Ｃ／Ｃ／ＳｉＣ）的弯曲强度较低（３００ＭＰａ），在断裂过程中表现出典型的复合材料断裂行为，在断裂过程中既存在纤维束内部的脆性断裂。

碳化硅纤维连续化工艺研究

本文对连续碳化硅（SiC）纤维的几种制备工艺方案进行了研究，阐述了纺丝工艺中温度、脱泡、过滤和收丝速度对纤维形态、性能的影响，确立了最佳工艺路线，并在此基础上制备了性能良好的连续SiC纤维。

C形碳化硅纤维制备及性能

采用熔融纺丝,然后经不熔化和高温烧成制得C形碳化硅纤维。制得的SiC纤维异形度为0.3,平均当量直径27μm,平均拉伸强度为1.5 GPa。在X波段,C形SiC纤维介电常数虚部为4.70～5.94,实部为8.79～9.15,介电损耗角正切值为0.52～0.65。因此C形SiC纤维是一种介电损耗材料,在X波段具有较好的电磁波吸收能力。

碳化硅短切纤维电磁特性改进研究

通过表面化学镀镍并进行适当的热处理，可调节碳化硅纤维的电磁性能。研究了SiC纤维表面化学镀金属镍的工艺条件，在SiC纤维表面制得较为均匀致密的金属谋镀层；研究了镀镍SiC纤维在热处理过程中的结构组成变化，以及制备工艺条件对所制备的吸收剂的电磁参数的影响。

连续碳化硅纤维的研制

本文研究了用先驱体法制备连续碳化硅(SiC)纤维的全过程。通过常压高温裂解法制得纺丝性能好的聚碳硅烷,经100孔熔融纺丝、不熔化处理和高温烧成等一系列工艺处理,制得了高性能的SiC纤维。该纤维单丝直径8～15微米,连续长度达100米,抗拉强度为2～2.3GPa,抗拉模量178GPa。主要性能达到日本同类产品八十年代的水平。本文还对制备工艺的一些基本规律及连续纤维的主要性能进行了研究。

含镍碳化硅纤维的制备及其电磁性能Ⅱ.含镍碳化硅纤维的电磁性能

研究了含镍碳化硅纤维的电阻率和复电磁参数。随着烧成温度和纤维内镍含量的提高 ,陶瓷纤维的电阻率下降 ,复电磁参数均增加。陶瓷纤维内的游离碳是影响纤维电阻率的主要因素。这种纤维与环氧树脂复合制成的结构吸波材料对雷达波具有良好的吸收。

含钛碳化硅纤维的制备及其微波吸收特性

用超声将平均粒径40nm的钛粉均匀分散到聚碳硅烷中，通过烙融纺丝、不烙化处理、烧结，制备出力学性能良好、电阻率连续可调的含钛碳化硅纤维这种纤维与环氧树脂复合成结构吸波材料。

C形、中空截面碳化硅纤维的成形工艺研究

以聚碳硅烷 (PCS)为原料 ,经C形喷丝板熔融纺丝制备C形、中空截面PCS原丝后 ,再经不熔化和高温烧成后得到C形、中空截面SiC纤维。文中讨论了纺丝温度、N2 压力和收丝速度对两种PCS纤维当量直径和异形度的影响 ,以及不熔化和烧成工艺对SiC纤维截面形状的影响。结果表明 ,纺丝温度对C形、中空PCS纤维当量直径和异形度影响较大 ;合适的纺丝工艺和不熔化及烧成条件下可以得到高异形度低当量直径的C形。

具备吸收雷达波功能的三叶型碳化硅纤维研制

以聚碳硅烷 (PCS)为原料 ,采用熔融纺丝制备三叶型 PCS纤维后 ,经不熔化和烧成制得三叶型碳化硅纤维。研究了纺丝温度、收丝速度等对纤维异形度的影响 ,并对预氧化和烧成工艺以及吸波性能等进行了研究。研究表明 ,较低的纺丝温度、适当高的纺丝压力和较低的转速有利于提高纤维的异形度。与相同当量直径的圆形纤维相比 ,三叶型碳化硅纤维的抗拉强度平均提高约 30 % ,三叶型碳化硅纤维在 8～

含镍碳化硅纤维的制备及其电磁性能Ⅰ.含镍碳化硅纤维的制备

将纳米金属镍均匀分散到聚碳硅烷中 ,通过熔融纺丝、不熔化处理、烧成 ,制备出含镍碳化硅纤维。发现掺杂纳米镍使聚碳硅烷熔融纺丝温度提高 ,所纺纤维直径增加。不熔化处理过程中控制纤维增重率为 9%～ 11%时所制备的碳化硅纤维具有最佳力学性能。含镍碳化硅纤维的最佳烧成温度为12 5 0℃。镍在陶瓷纤维中的主要存在形态是镍硅金属间化合物。纳米镍的引入促进了烧成过程中 β -SiC晶粒的生长。