SiC基复合材料的发展现状及其应用.ppt

SiC基复合材料的发展现状及其应用 制作人 杜文献姜少燕王丽芸 SiC基复合材料的发展现状及其应用 SiC基复合材料简介 碳化硅作为一种具有优良特性的常用陶瓷材料 其高温强度及抗热震性能良好 密度低 硬度高 耐磨损 热膨胀系数低及导热性好 被认为是继碳 碳复合材料之后发展起来的新型战略材料 可大幅度提高现有武器装备和未来先进武器装各性能 但是 断裂韧性低在一定程度上限制了该材料作为高温承力构件使用 向陶瓷材料中引入连续纤维增强体是提高材料断裂韧性最有效的方法之一 纤维增强基SiC基复合材料 近年来 纤维增强陶瓷基复合材料 FRCMC 由于具有优良的性能在国内外引起了材料工作者的极大注意 其主要特点是 当材料受载裂纹扩展时 具有高强度 高模量的纤维通过各种消耗能量的途径 防止材料发生灾难性的破坏 在一定程度上克服了单一陶瓷材料脆性断裂的缺点 同时保留了陶瓷基体的耐高温 低膨胀 热稳定性好的特点 纤维补强以其成本低廉及工艺简单而备受关注 其增强体可采用氧化铝纤维 硅酸铝纤维 碳化硅纤维 硼纤维和碳纤维等 尤为集中在碳纤维和碳化硅纤维方面 但由于这两者均存在高温氧化问题 使其应用受到一定的限制 而氧化物纤维则以其优良的高温抗氧化性能而成为最有前途的补强复合材料用纤维 碳化硅基复合材料显微结构特点 复合材料中纤维和基体的分布状态如图1所示 从图中可以看出 碳纤维束 黑色衬度区域 和碳化硅纤维束 右上角圆形的灰色衬度区域 并行排列 纤维束旁 左边 是纤维束间基体聚集区域 这种结构的形成主要由纤维编织体中纤维的排布形式决定 纤维编织过程中碳纤维和碳化硅纤维合股成一束进行编织 编织体中纤维束交叉处将形成较大的孔隙结构 在PIP致密化过程中第1次循环采用含纳米SiC浆料浸渍时 将交叉处的孔隙填充 形成基体聚集区 图3 4分别给出了抛光面上碳化硅纤维和碳纤维聚集区域的显微结构照片 可以看出 在纤维束内存在部分气孔 尤其在碳纤维束内 由于纤维堆积比较紧密 采用的碳纤维每束的单丝纤维数量更多 PIP循环过程中无论是浆料还是PCS溶液都难以完全浸渍到每个部位 使得在纤维束内留下气孔 对比发现 在图1 2中的基体区域 几乎看不到明显的大气孔 只有裂解时收缩产生的微裂纹在随后的PIP过程中被填充 形成条状的基体 纤维增强陶瓷基复合材料常用的制备方法 包括化学气相沉积法 CVI 有机前驱体浸渍裂解法 PIP 热压烧结法 HP 反应烧结法 RS 以及上述方法组成的复合方法其中CVI法是常用的方法 用CVI制备的材料具有密度低 均匀性较差等特点 于是发展了FCVI法 FCVI是一种较新的工艺 它具有得到的材料纯度较高 孔隙率降低等特点 材料所处的环境制约着其自身的性能 SiC基复合材料有望在航空 航天 宇宙等环境下应用 因此 对SiCf SiC性能的研究最近几年主要集中在SiC基复合材料的抗辐射性能 弯曲和断裂韧性 疲劳性能 采用先驱体液相浸渍工艺制备的复合材料的断裂是典型的分层断裂 而采用热压工艺制备的复合材料则是明显的脆断 说明采用热压工艺的复合材料的层间结合比采用先驱体液相浸渍工艺的复合材料的层间结合强 这种强结合导致复合材料基体断裂时纤维也随之断裂 材料性能明显受制于基体的强度 PIP法的优点是可制备具有任何形状的复合材料 并且可以获得优良的性能 其主要工艺过程是以纤维预制体为骨架 真空条件下排出纤维预制体中的空气 采用溶液或熔融的有机聚合物前驱体与陶瓷粉体配成的浆料浸渍 在惰性气体保护下进行交联固化 或晒干 然后在惰性气氛中进行高温裂解 重复浸渍 交联 裂解过程 使材料致密化 制备纤维增强碳化硅基复合材料 1 原料增强体主要为H iNicalon纤维 其主要性能为 拉伸强度2800MPa 模量300GPa 密度2 5g cm3 直径14Lm 先驱体聚碳硅烷 PCS 由本校纤维研究室提供 色泽淡黄 软化点为170e 180e 陶瓷产率约65 SiC微粉粒度 1 2 实验过程首先 将SiC微粉 PCS和二甲苯以一定比例混合 在玛瑙罐中球磨24h 取出浆料倒入浸渍槽中 再将H iNicalon纤维穿过浸渍槽 以固定的速率缠绕成无纬布 待浆料干燥后取下裁成35 30mm大小 叠层后以175e 15MPa的条件在金属模具中热模压成型制得复合材料坯体 将一部分坯体放入管式炉中裂解 裂解条件为1200e下保温1h 将裂解后试样的表面擦干净 用PCSB二甲苯 1B1 质量比 的溶液真空浸渍 取出晾干后再裂解 重复浸渍 裂解4次 将另一部分坯体放入到石墨模具中采用热压法制备 热压温度为1800e 热压压力为25MPa 时间为1h 氩气保护 详细工艺路线见图 纤维类型对SiC基复合材料性能的影响 采用不同制备工艺制备的复合材料性能上有明显的差异 采用先驱体液相浸渍工艺制备的复合材料性能较好 弯曲强度达到703 6MPa 断裂韧性达到23 1MPa 而采用热压工艺制备的复合材料性能较差 弯曲强度和断裂韧性分别仅为465 1MPa和8 7MPa 导致两者性能差别的主要原因是高温造成纤维和基体中的晶粒长大 纤维含量对复合材料影响 复合材料的抗折强度及抗热震性均随纤维加入而明显升高 这是因为复合材料在受力过程中 可通过纤维的拨出 断裂及阻止裂纹扩展等机理吸收过剩能量 从而消除裂纹尖端所集中的应力 阻止它继续延伸 同时 具有高弹性模量的纤维也可分担大部分应力 使复合材料的整体强度得以提高 由于纤维从基体中拔出所需能量最大 因而对基体强度的增加最明显 由断口显微结构照片可清晰地观察到 无论增强体是硅酸铝纤维还是氧化锆纤维 均存在纤维拔出现象 SiC基复合材料应用 1 美国 俄罗斯 德国 法国等国家从20世纪80年代初开始进行SiC材料在反射镜方面的应用研究 美国联合技术光学系统公司和其他公司曾率先开发用于军用高功率激光器反射镜材料的SiC 经过十多年的努力 成功地研制出高度轻量化的碳化硅反射镜 2 SiC基复合材料以其低活性 抗辐射能力强 高的热导率等方面的优异性能 在核应用方面同样显示出很好的发展潜力 3 SiC基复合材料具有与SiC很好的物理及化学相容性 作为SiC电子元件的载体 具有非常显著的优势 可以显著降低电子产品的重量 实现轻量化的目标 提高电子产品的抗磨损 防震等功能 为SiC基复合材料开辟新的应用领域 激光反射镜碳化硅复合材料发动机 铝碳化硅碳化硅纤维增强钛合金 SiC基复合材料存在问题 SiC复合材料作为承力件还没有大规模的工业应用 且只有一般力学性能方面的有限数据 如强度和疲劳特性 因此 将其应用于核聚变反应堆的极端环境 如第一层器壁或转盘 是不成熟的 在这些结构中 不仅静态载荷和循环载荷将非常高 碳化硅复合材料的利用将重点放在这些领域的结构替换上 SiC基复合材料发展建议 SiC基复合材料的研究虽然取得了一定的成就 但是 仍有多个方面的问题阻碍了SiC基复合材料在航空发动机方面的应用 首先是设计者缺乏SiC基复合材料的性能数据和设计经验 也缺少在特定应用条件下SiC预期寿命评估的数据与工具 其次是成本方面的问题 CMC s构件的成本是传统高温合金的几倍 再次是CMC s材料本身应用于航空发动机高温结构部件时所要克服的一些问题 在喷气发动机中 构件必须暴露于高温 强烈的机械及热应力 水气 氧和燃烧的固体颗粒的侵蚀 在海军使用的环境中还有海盐在压缩室的积累造成的腐蚀 以及在燃烧室里富含燃烧副产物盐酸盐和硫酸盐等所引起的对SiC材料形成的加速氧化等等 参考文献 1张长瑞 陈朝辉 冯春详 纤维增强陶瓷复合材料 J 宇航材料工艺 1989 19 1 8 13 2郑文伟 工兴业 刘风荣 等 三维整体编织物增强陶瓷基复合材料的制备工艺及性能表征 J 复合材料学报 1997 14 1 48 53 3曹英斌 张长瑞 周新贵 等 热压烧结法制备Cf SiC陶瓷基复合材料研究 J 宇航材料工艺 1998 28 6 35 37 4钦征骑 钱杏南 贺盘发 新型陶瓷材料手册 M 南京 江苏科学技术出版社 1996 264 473 5朱云洲 黄政仁 董绍明 等 C SiC复合材料的常压制备与性能研究 J 无机材料学报 2007 22 4 687 689 6所俊 郑文伟 Cf iC复合材料先驱体转化法浸渍工艺条件优化 J 宇航材料工艺 2000 2 29 32 7王志钢 朱德贵 J 硅酸盐通报 2006年04期 6 10 8陈文浩 D 成都 西南交通大学材料科学与工程学院 2006年6月 40 429郭双全 朱德贵 J 佛山陶瓷 2007 17 10 8 1110韩杰才 张玉民 赫晓柬 大尺寸轻型Si