连续纤维增强陶瓷基复合材料研究与应用进展

连续纤维增强陶瓷基复合材料作为新型轻质结构材料受到各国高度关注。该材料在保持陶瓷材料的耐高温、抗腐蚀等优点的同时,克服了陶瓷材料的脆性,具有高的应用可靠性,成为目前最具潜力的高温热结构材料之一。近40多年,欧美等发达国家对陶瓷基复合材料开展了广泛的研究,已在航空航天、新能源等领域实现了工程应用或工程验证。针对不同服役环境,综述了不同类型陶瓷基复合材料研究及应用进展,并结合本团队的研究工作对陶瓷基复合材料的研究趋势进行了总结和展望,旨在为进一步推动陶瓷基复合材料的研究和发展提供参考。

高熵碳化物超高温陶瓷的研究进展

高速飞行技术的发展对高性能热结构材料提出了迫切需求。高熵碳化物(HECs)陶瓷作为近年来发展迅速的一类新型材料,兼具高熵陶瓷与超高温陶瓷的优良特性,在极端服役环境中具有广阔的应用前景,因此得到国内外学者的广泛关注。相比仅含有一种或两种过渡金属元素的传统超高温碳化物陶瓷,HECs综合性能有所提升,且具有更强的组成和性能可设计性,因此具备较大的发展潜力。经过对HECs的不断探索,研究人员获得了许多有趣的结果,开发了多种HECs的制备方法,对HECs的显微结构和性能的认识也更加深入。本文综述了HECs的基本理论以及从实验过程中获得的规律;对HECs粉体、HECs块体、HECs涂层及薄膜,以及纤维增强HECs基复合材料的制备方法进行了梳理和归纳;并对HECs的力学、热学等性能,尤其是与高温应用相关的抗氧化、抗烧蚀性能的研究进展进行了综述和讨论。最后,针对HECs研究中有待进一步完善的科学问题,对HECs的未来发展提出了展望。

Y_(2)O_(3)改性SiC陶瓷高温水氧行为研究

连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiCf/SiC)因高温水氧侵蚀致使力学性能急剧下降,限制了其热端部件在航空发动机中的长寿命服役。研究证实,该侵蚀主要表现为SiC基体和纤维与水、氧气反应生成气相Si(OH)_(4),导致质量耗散。因此,从组分、结构调控角度提升SiC耐水氧侵蚀性能已成为研究热点。对比研究了添加和未添加Y_(2)O_(3)对SiC陶瓷水氧侵蚀行为的影响。与SiC陶瓷相比,SiC-Y_(2)O_(3)陶瓷的氧化速率及挥发速率均明显下降,且随着氧化温度的升高,两者差距愈发明显,可见添加Y_(2)O_(3)后SiC陶瓷的耐水氧侵蚀性能得到明显改善。氧化后的陶瓷微观结构表明,SiC-Y_(2)O_(3)陶瓷氧化层明显更薄且更致密,进一步分析表明这主要由Y组分在陶瓷表面的迁移以及聚集所致。在侵蚀过程中,陶瓷内部的Y_(2)O_(3)会向SiC陶瓷表面迁移,并与SiO_(2)反应形成β-Y_(2)Si_(2)O_(7),并逐渐聚集形成连续的Y_(2)Si_(2)O_(7)层。因此,在氧化层与SiC陶瓷交界处形成了一个富Y_(2)Si_(2)O_(7)/富Y_(2)O_(3)层。多层含Y氧化层在陶瓷表面形成水氧阻挡屏障,有效抑制了水氧介质向陶瓷内部的渗透与侵蚀。该研究结果为SiC_(f)/SiC复合材料的耐水氧结构设计与调控提供了重要思路。

SiC_(f)/SiC复合材料的RMI制备方法以及微观结构和性能优化

反应熔体渗透(RMI)是制备高密度陶瓷基复合材料的有效方法之一,而熔体的渗透和复合材料的形成主要取决于预制体的孔隙结构。本研究将硅熔体渗透到具有不同孔隙结构的含碳预制体中,制备了SiC纤维增强SiC基复合材料(SiC_(f)/SiC),并研究了孔隙结构对熔体浸润和SiC_(f)/SiC复合材料的影响。研究结果表明:具有较均匀孔径的预制体可以使熔体浸润更充分,制备的复合材料具有更少的残余孔隙及更优的力学性能。该研究对反应熔渗制备复合材料的孔结构调控具有指导意义。

三维碳化硅纳米线增强碳化硅陶瓷基复合材料的电磁屏蔽性能

碳化硅纳米线具有优异的电磁吸收性能,三维网络结构可以更好地使电磁波在空间内被多次反射和吸收。通过抽滤的方法制备得到体积分数20%交错排列的碳化硅纳米线网络预制体。然后采用化学气相渗透工艺制备热解炭界面和碳化硅基体,并通过化学气相渗透和前驱体浸渍热解工艺得到致密的SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料。甲烷和三氯甲基硅烷分别是热解炭和碳化硅的前驱体,随着热解碳质量分数从21.3%增加到29.5%,多孔SiCNWs预制体电磁屏蔽效率均值在8~12GHz(X)波段从9.2d B增加到64.1d B。质量增重13%的热解碳界面修饰的SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料在X波段平均电磁屏蔽效率达到37.8 d B电磁屏蔽性能。结果显示,SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料在新一代军事电磁屏蔽材料中具有潜在应用前景。

碳化硅纳米线增强多孔碳化硅陶瓷基复合材料的制备(英文)

构建多孔碳化硅纳米线(SiCNWs)网络并控制化学气相渗透(CVI)过程,可设计并获得轻质、高强度和低导热率SiC复合材料。首先将SiCNWs和聚乙烯醇(PVA)混合,制备具有最佳体积分数(15.6%)和均匀孔隙结构的SiCNWs网络;通过控制CVI参数获得具有小而均匀孔隙结构的SiCNWs增强多孔SiC(SiCNWs/SiC)陶瓷基复合材料。SiC基体形貌受沉积参数(如温度和反应气体浓度)的影响,从球状颗粒向六棱锥颗粒形状转变。SiCNWs/SiC陶瓷基复合材料的孔隙率为38.9%时,强度达到(194.3±21.3) MPa,导热系数为(1.9±0.1) W/(m·K),显示出增韧效果,并具有低导热系数。