SiC纤维预制体结构对SiC_(f)/BN/SiC复合材料致密化和力学性能的影响

为了研究碳化硅(SiC)纤维预制体的结构对SiC基体的化学气相渗透(CVI)工艺致密化过程的影响,利用模拟计算方法分析了2D叠层、2.5D和3D正交三种编织结构SiC预制体在SiC致密化过程中的孔隙结构演变规律,并采用三氯化硼-氨气-氢气-氮气(BCl_(3)-NH_(3)-H_(2)-N_(2))混合气体和三氯甲基硅烷-氢气-氮气(MTS-H_(2)-N_(2))混合气体作为前驱体,利用CVI致密化工艺制备出三种预制体结构的SiC_(f)/BN/SiC复合材料。结果表明,SiC纤维预制体结构不同,SiC_(f)/BN/SiC复合材料的致密化效率不同,其中2.5D纤维预制体的致密化速率最快,3D正交预制体的致密化速率最慢。致密化120 h后,三种预制体结构的复合材料密度均达到2.3 g/cm~3以上,开孔率为10%左右。三种结构的SiC_(f)/BN/SiC复合材料拉伸强度为130~170 MPa。在层间剪切过程中,2D结构SiC_(f)/BN/SiC复合材料与2.5D结构SiC_(f)/BN/SiC复合材料样品都出现了XY面的纤维剥离现象,而3D结构SiC_(f)/BN/SiC复合材料样品发生了正交Z向纤维的断裂。由此可知,SiC纤维预制体结构影响了所形成复合材料的致密化过程和力学性能。

连续SiC纤维表面铂涂层的制备及抗氧化性研究

采用金属有机化合物化学气相沉积法(MOCVD)在连续SiC纤维表面沉积了约0.8μm厚的Pt涂层,用扫描电镜对涂层的形貌进行观察,用EDS能谱和XRD对涂层的成分进行了分析,并对沉积涂层后的纤维在不同温度和时间下的抗氧化性能进行了测试。结果表明,制备得到的铂涂层光滑致密,与纤维结合牢固,有效弥补了纤维表面缺陷;对沉积涂层后的纤维进行力学表征和抗氧化测试,发现铂涂层不仅增加了SiC纤维的抗拉强度,而且经700~1400℃氧化1h后纤维的抗氧化性能大幅提高。

高温氧化环境下BN/SiC涂层的氧化行为及SiC纤维的性能研究

利用化学气相渗透(CVI)工艺在SiC纤维表面沉积BN/SiC涂层,并进一步通过表征技术探究含有涂层纤维在高温氧化环境下表面涂层和纤维的理化性能。附着涂层纤维被放置于1050~1200℃的空气环境氧化0.5~2 h,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、纳米扫描俄歇仪(AES)和X射线光电子能谱仪(XPS)对氧化后的BN/SiC涂层形貌、结构以及成分进行了表征,最后利用单丝拉伸强度评价了附着BN/SiC涂层的SiC纤维氧化后的力学性能。试验结果表明,BN/SiC涂层在高温氧化后,表面出现气孔、鼓泡、裂纹和氧化物析出等现象,并且BN/SiC涂层未被完全氧化,仍具备保护内部SiC纤维的能力。通过对试验数据进一步分析发现,附着涂层的纤维在1200℃和1350℃氧化后主要失效机理有所差异,前者为涂层和纤维之间形成的缝隙及气孔,而后者为产生的氧化物及其裂纹。

偏轴载荷下连续SiC纤维增强钛基复合材料的拉伸行为研究

连续SiC纤维增强钛基(SiCf/Ti)复合材料是未来高性能动力装置的关键材料之一。针对SiCf/Ti复合材料中纤维与试样轴向载荷常存在一定偏轴角度的问题,通过室温拉伸、有限元模拟和断口表征研究了偏轴角度对SiCf/TC17复合材料力学性能和失效机理的影响。根据SiCf/TC17复合材料力学性能、断口形貌和应力分布可以定义一个临界偏轴角度,其数值约为1°。结果表明,随偏轴角度的增加,复合材料试样的抗拉强度下降,且当偏轴角度超过临界值时,抗拉强度下降速率增加。复合材料的失效机制与偏轴角度相关,当偏轴角度小于临界值时,试样断口由数个平坦的断面组成,纤维拔出和界面开裂程度都较低,纤维断面基本垂直于轴线,为典型的正应力断裂形貌;当偏轴角度大于临界值时,断口的起伏程度增加,纤维拔出和界面开裂现象都更加明显,部分纤维开始出现剪切断裂,表明拉剪耦合在断裂中起到重要作用。因此,对于SiCf/TC17复合材料轴向试样而言,应将纤维与试样整体的偏轴角度控制在临界值内,以获得有效的性能测试数据。

SiC纤维在空气中的耐温性测试

SiC纤维作为SiC_(f)/SiC复合材料的重要承载部分,其耐温性能直接影响SiC纤维的实际应用。单丝拉伸强度和束丝拉伸力测试表明:在空气中,800℃时SiC纤维单丝强度维持在2.7 GPa以上,束丝拉伸力170 N以上,随时间延长无明显变化;温度升高至1000℃时,单丝强度下降至2.0 GPa,束丝拉伸力下降至159 N;超过1200℃后,纤维氧化明显,无长时间应用能力。其SEM及EDS结果表明,各个温度下纤维表面均有不同程度的氧化,温度越高纤维氧含量越高,超过1400℃时,纤维出现“皮芯”结构和脱落,氧化严重,完全失效。

我国射线化学合成SiC纤维及相关材料的现状与展望

传统CVD法合成的SiC纤维其最高使用温度仅有900℃,氧化先驱丝法制备的SiC纤维也只能用于1 000℃以下。主要介绍了我国射线化学合成法制备耐高温抗氧化的SiC纤维(使用温度高于1 600℃,单丝抗拉强度达2.2～2.7GPa)的系列关键技术,及其基于这些技术制备圆形截面管状SiC纤维(外径为10～15μm,壁厚2～3μm)的技术;同时也简介了射线化学应用于纳米微孔SiC功能陶瓷以及SiCf/SiC陶瓷基复合材料等方面的研究进展。

先驱体转化法连续SiC纤维国内外研究与开发现状

比较了连续ＳｉＣ纤维的四种主要制备方法，着重介绍了先驱体转化法制备工艺，并就先驱体转化法生产连续ＳｉＣ纤维国内外研究历程、开发现状、发展前景及对策作了初步的分析与探讨．

SiC纤维的强度与表面微观形貌

采用射频加热CVD法制备出连续SiC纤维。观察和研究了纤维表面微观形貌的种类以及与纤维强度和制备工艺参数之间的关系。结果表明,纤维强度与纤维表面光滑性、晶粒大小及均匀性有直接关系;而CVD过程的温度、反应气体的组分、流量以及钨丝载体清洁与否等是决定SiC纤维表面微观形貌的关键因素。在SiC纤维外表面涂敷一层保护涂层有效地提高了纤维的光滑性,缓解了SiC纤维的表面损伤敏感性,提高了纤维的性能。

聚碳硅烷纤维的不熔化与SiC纤维制备研究

以聚二甲基硅烷(PDMS)为原料,在高压釜内高温高压反应制备了聚碳硅烷(PCS)先驱体,经熔融纺丝制备了PCS纤维,研究了在190℃下不同不熔化时间对PCS纤维氧化增重、Si-H键反应程度、凝胶含量、氧含量及最终SiC纤维氧含量与性能的影响。研究表明,在不熔化过程中,PCS结构中的Si-H键与氧反应,在PCS分子间形成Si-O-Si交联结构。随着不熔化时间的延长,PCS纤维发生氧化增重、Si-H键反应程度提高、凝胶含量增加,SiC纤维中氧含量也逐渐增加。在不熔化保温3h,制备的SiC纤维强度可达2.52GPa。随着不熔化时间的进一步延长,SiC纤维氧含量增加,其强度逐渐降低。

SiC纤维增强钛基复合材料界面强度研究进展

综述SiC纤维增强钛基复合材料界面强度的影响因素﹑微观实验测试技术以及数值模拟技术。在此基础上着重分析了微观实验测试技术与数值模拟技术存在的问题,指出了界面强度定量研究的发展方向。

空气中γ射线辐照聚碳硅烷陶瓷先驱丝热解合成SiC纤维

将聚碳硅烷(PCS)陶瓷先驱丝在开放空气中用γ射线辐照,然后在惰性气氛中高温热解制备出SiC纤维。研究了吸收剂量对先驱丝的结构、热分解特性以及热解产物微观形貌的影响。结果表明,在辐射作用下,空气中的氧与PCS中的部分Si—H发生氧化反应生成Si—OH,同时辐照产物中还形成了Si—C—Si,Si—O—Si等桥联结构。吸收剂量为0.5 MGy时,PCS先驱丝在热解过程中没有并丝;吸收剂量为3.0 MGy时,PCS先驱丝的凝胶含量和陶瓷产率分别达到75%和85.17%。这说明开放的空气气氛能够有效降低PCS先驱丝的不熔化处理剂量。

SiC纤维增强钛基复合材料界面研究及构件研制

首先介绍了作者近年来在SiC纤维增强钛基复合材料界面反应机理、应力分布和界面调控方面的工作进展,然后介绍了作者在磁控溅射法和箔-纤维-箔法复合材料工艺及构件研制方面的研究工作。

Hi-Nicalon SiC纤维高温热处理后的断裂机理研究

测定了Hi-Nicalon SiC纤维在惰性气氛下高温热处理后的断裂强度,并对其强度进行了Weibull分布统计分析,通过SEM研究了温度变化对Hi-Nicalon SiC纤维表面形貌和力学性能的影响,着重分析了Hi-Nicalon SiC纤维的裂纹扩展机制及断裂机理。研究表明,在惰性气氛保护下其强度随退火温度的升高而下降,且经过1800℃长时间(10h)退火后的Hi-Nicalon SiC纤维基体转为晶态,断裂模式也就从非晶态的脆性断裂转变为晶态材料的解理断裂。经统计分析,纤维表面部分活性氧化造成的结构缺陷可忽略,断裂源主要集中在纤维内部,惰性气氛下纤维强度下降主要是由解理断裂作用的结果。

化学气相沉积法连续SiC纤维的研究现状和发展趋势

综述了采用化学气相沉积法制备连续SiC纤维的研究进展,介绍了国内外化学气相沉积法制备的大直径、致密和均匀的SiC纤维的制备装置、制备工艺、性能、微观组织以及表面处理等热点研究方向,讨论了SiC纤维的制备工艺、性能和微观组织之间的关系以及利用表面处理如何弥补SiC纤维的缺陷,指出了今后采用化学气相沉积法制备连续SiC纤维的研究重点和发展趋势。

连续SiC纤维增韧SiC基体复合材料研究进展

近年来,SiC纤维增韧SiC基体复合材料(SiCf/SiC)由于具有良好的高温力学、抗化学腐蚀、高的韧性与抗中子辐照等优异性能而受到广泛关注。本文主要从纤维、界面层、基体与应用四方面评述了近年来国内外的研究进展。SiC纤维的性能直接影响了界面层材料与基体制备技术的选择。电泳沉积有望成为一种低成本、节能及对环境无污染的界面层及基体制备技术。在应用方面,作为热结构材料,SiCf/SiC复合材料已经得到了实际应用。核反应堆用SiCf/SiC结构材料的研究到了实际考核验证阶段。高性能SiC纤维的大规模生产是SiCf/SiC广泛应用的前提条件。

截面形貌对三叶型SiC纤维电磁性能的影响

通过先驱体转化法,制备出三叶形、三折叶形和T形截面SiC纤维。对3种纤维进行了XRD测试,并使用网络分析仪测试了纤维的电磁性能。3种异形SiC纤维具有相同的XRD谱图,但其介电常数有较大差异,模拟结果表明3种纤维具有不同的吸波性能。

先驱体转化法制备SiC纤维的研究进展

先驱体法制备的SiC纤维是高性能陶瓷基复合材料(CMC)的关键增强材料.在过去三十年里,已发展了三代SiC纤维.本文综述了三代SiC纤维制备工艺、组成结构和性能的发展变化情况,分析了SiC纤维的耐高温、抗氧化、模量和高温抗蠕变性能与其组成和结构的相互关系,总结了提高纤维性能的主要方法.

SiC纤维增强钛基复合材料研究进展

概述了作者研究组近年来在SiC纤维增强钛基复合材料研究领域开展的工作及取得的进展。采用具有自主知识产权的SiC纤维,研究了PVD先驱丝制备方法和真空热压/热等静压复合材料成形工艺,获得700℃拉伸强度>1500MPa的SiCf/Ti-6Al-4V复合材料,分别制备出长度>400mm和直径>200mm的钛基复合材料棒材和环形件。此外,分别采用粉末布与粉浆涂挂先驱丝两种低成本方法制备出钛基复合材料,确定了新的胶粘剂并优化了相关工艺参数。

一种具有稳定富碳表层的SiC纤维的制备与性能

采用不饱和烃不熔化处理后的聚碳硅烷(PCS)纤维经高温烧成可制得一种新型的SiC纤维,纤维的抗张强度达2.5～2.8GPa,氧含量4wt%～6wt%,电阻率仅为0.5Ω.cm左右,大大低于采用传统空气不熔化方法得到的SiC纤维.研究表明:该纤维表面存在厚度约50nm的富碳层,并且在Ar气中进行高温热处理后,表面富碳层结构无明显变化.与日本通用级SiC纤维NicalonNL202相比,纤维的耐热性提高200～300℃.纤维具有低电阻率稳定性,从室温到1600℃,其电阻率始终保持在0.4～0.8Ω.cm.

SiC纤维增强钛基复合材料的界面改性研究现状

针对SiC纤维增强Ti基复合材料的界面反应问题,综述了国内外涂层法界面改性的研究现状,主要包括各种单涂层法、双涂层或复合涂层法及其对复合材料界面和力学性能的影响,指出了其存在的问题或不足,并预测了今后的发展趋势。