CfSiC复合材料陶瓷连接层的设计、制备与连接性能研究

CfSiCCfSiC复合材料陶瓷连接层的设计 制备与连接性能研究复合材料陶瓷连接层的设计 制备与连接性能研究 密级秘密博士学位论文C f SiC复合材料陶瓷连接层的设计 制备与连接性能研究作者姓名吴 西士指导教师 黄政仁研究员中国科学院上海硅酸盐研究所学位类别 工学博士学科专业 材料学培养单位 中国科学院上海硅酸盐研究所 2019年6月Microstructure andmechanical properties of jointsfor C f SiC positesby reaction bonding processA dissertationsubmitted toUniversity of Chinese Academyof Sciencesin partialfulfillment of the requirementfor thedegree ofDoctor ofPhilosophy inMaterial scienceBy WuXishi Supervisor Professor HuangZhengren ShanghaiInstitute ofCeramics Chinese Academyof SciencesJune 2019中国科学院大学研究生学位论文原创性声明本人 郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工 作所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体 均已在文中 以明确方式标明或致谢 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 作者签名日期中国科学院大学学位论文授权使用声明本人完全了解 并同意遵守中国科学院有关保存和使用学位论文的规定 同意中国 科学院上海硅酸盐研究所保留并向国家有关部门和机构送交论文的 复印件和电子版 允许该论文被查阅和借阅 本人授权中国科学院上海硅酸盐研究所可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复 制手段保存 汇编本学位论文 涉密及延迟公开的学位论文在解密或延迟期后适用本声明 本学位论文属于 保密 在年解密后适用本授权书 不保密 作者签名导师签名日期日期摘要中国科学院上海硅酸盐研究所博士 学位论文I摘要碳纤维增强碳化硅陶瓷基 C f SiC 复合材料结合了SiC陶瓷和碳纤维的耐高温 耐腐蚀 高比 刚度 高热导率及低密度等优点 作为高温结构材料被广泛应用于 航空航天 军事 能源等领域 复杂内型面结构以及大尺寸C f SiC复合材料结构件提出了迫切的应用需求是一种发展趋势 其一 次整体成型难度非常大 采用特定的连接技术把结构相对简单的复合材料构件可靠连接起来 是制备复杂结构C f SiC复合材料构件及大尺寸C f SiC复合材料结构件行之有效的方法 因此 C f SiC复合材料的可靠连接技术是实现复杂内型面结构以及大尺寸C f SiC复合材料工程化应用需要解决的关键技术 本课题旨在开发能够实现稳定连接的反应连接技术 利用有机树脂 作为碳源和粘结剂 通过在复合材料之间制备与C f SiC复合材料热物性和物理相匹配的碳化硅基陶瓷中间层 实现复 合材料的稳定连接 对推进C f SiC复合材料工程化应用具有重要的意义 孔径可控的多孔碳素坯是高致密 强结合反应连接层的基础和前提 本文使用酚醛树脂 醇溶剂体系 采用聚合相分离技术 系统研究了活性物质二价金属 盐和硼酸对多孔碳微观结构和孔径分布的影响 成功制备出有效平 均孔径可在nm m级可控的多孔碳 其中 a 随着FeCl2含量的增加 获得多孔碳的孔径呈现先增加后 减少的趋势 最大有效平均孔径为190nm 金属离子作为催化剂并能 够与树脂化合物发生络合反应 促进酚醛树脂固化度的增加 调控 多孔碳孔结构 b 将H3BO3引入酚醛树脂 结果表明 在树脂混合物中加入H3BO3 可以改变树脂 乙二醇混合物固化过程中的聚合动力学 硼酸参与络合反应 并参与形成聚合物骨架 促进固化程度的增加 由于硼酸与酚醛树脂化合物的络合 在树脂混合物固化过程中产 生的富含乙二醇的相的尺寸随着H3BO3含量的增加而增大 同样 裂解后多孔碳的孔径随着H3BO3含量的增加而增加 随着H3BO3含量的增加 所得多孔碳的平均孔径从13 5增加到2754 66nm 利用反应连接技术与反应烧结法制备C f SiC复合材料的工艺过程的相似性 提出C f SiC复合材料的致密化与连接同步完成的一步硅熔渗法反应连接 简化制备工艺 降低多次高温处理过程带来的变形 开裂风险 研究了多孔碳预制体C f SiC复合材料陶瓷连接层的设计 制备与连接性能研究II中国科学 院上海硅酸盐研究所博士学位论文密度 孔径以及添加惰性填料对 连接层微观结构和连接性能的影响 并对比分析了常规连接和一步 硅熔渗法反应连接的微观结构和力学性能 研究发现 a 多孔碳预制体密度对连接层中游离硅含量影响较大 适宜选用在0 7 0 9g cm 3 多孔碳预制体孔径主要影响连接层中的游离硅尺寸 适宜选用0 2 0 6 m左右 b 惰性填料 SiC的加入有效降低多孔C SiC预制体体积收缩 降低因收缩带来的 裂纹等缺陷 在1600 下连接后 连接层厚度在20 85 m 连接层 中SiC Si两相分布均匀 界面处不明显 且无明显缺陷 SiC含量为 50wt 时 最高室温连接强度可以达到216 44MPa 强度保留率为9 8 c 与常规反应连接相比 一步硅熔渗法反应连接所获得连接 层具有更均匀的微观组织结构 接头弯曲强度增加至203MPa 强度 保留率为96 并且该工艺可实现一次成型烧结 节约成本 连接机理在连接层与C f SiC衬底之间形成2 3 m过渡层的过渡层 其由约0 5 1 m的SiC 晶粒组成 过渡层的形成是由于基体与连接层之间碳密度的差别导 致Si C反应过程中碳的扩散 采用短切碳纤维C sf 树脂 醇 SiC混合物作为填料来连接C f SiC复合材料 研究结果表明 通过使用C sf 树脂 醇 SiC混合物作为填充材料 可以获得具有良好界面结合和高连接 强度的连接层 碳纤维的加入后多孔碳素坯由于形成多孔碳 碳纤维骨架而表现出更均匀的微观结构 有利于熔融硅的渗入 1600 反应连接后 硅熔渗反应将短切碳纤维转化为纤维状SiC 另外 添加短切碳纤维有利于降低中间层的残留硅含量 残余硅含量的减少主要是由于新形成的 SiC相的增多以及碳纤维与熔融硅