短切碳纤维增强CfSiC复合材料制备与性能研究

短切碳纤维增强短切碳纤维增强CfSiCCfSiC复合材料制备与性能研究复合材料制备与性能研究 硕士学位论文短切碳纤维增强C f SiC复合材料制备与性能研究作者姓名孟祥玮指导教师 黄政仁研 究员中国科学院上海硅酸盐研究所学位类别 工学硕士学科专业 材 料学培养单位 中国科学院上海硅酸盐研究所2019年6月Preparation andProperties of Chopped CarbonFiber ReinforcedC f SiC CompositesA thesissubmitted toUniversity of Chinese Academyof Sciencesin partialfulfillment of the requirementfor thedegree ofMaster ofScience inEngineering inMaterials ScienceBy MengXiangwei Supervisor Professor HuangZhengren ShanghaiInstitute of Ceramics Chinese Academyof SciencesJune2019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I摘要碳纤维增强碳化硅基 C f SiC 复合材料具有耐高温 耐腐蚀 高比刚度 高热导 低密度 等优点 且具有独特的裂纹偏转 纤维拔出 纤维脱粘等能量耗散 机制 使其表现出类似金属的非灾难性破坏特征 大幅度提高其作 为高温结构材料在航空航天 军事 能源等领域工程应用领域的可 靠性 采用连续碳纤维制备的C f SiC复合材料在不同的方向上物理及力学性能差异较大 限制了其 作为精密元件的工程应用 因此 开展具有各向同性C f SiC复合材料制备研究具有重要意义 本课题以短切碳纤维作为增强体 采用注浆成型结合反应烧结工艺 实现高致密各向同性C f SiC复合材料制备 研究了碳纤维体积分数 颗粒尺寸及其颗粒级 配 分散剂含量 粘结剂含量 混合浆料时间和投料方式对C f SiC复合材料微观结构和性能的影响 对于以注浆成型法来制备复合材料 浆料的粘度和由浆料得到的素 坯的显气孔率都会对复合材料的性能产生较大的影响 例如 浆料粘度会对注浆成型过程中的气体的排出 填充的均匀性 等有较大影响 进而影响素坯的孔径结构及后续的熔渗反应 实验结果表明 采用TMAH和PVP作为分散剂时 添加0 1wt 的TMAH 的浆料粘度最低 无团聚现象 素坯的显气孔率较低 同时添加4wt 的PVP能得到较高的素坯显气孔率 45 98 0 37 这有助于反 应烧结过程 而粘度随混料时间的增加而降低 而投料方式对浆料 粘度及素坯的性质影响不大 提高粘结剂PVA的含量会使浆料的粘度 增大 碳纤维体积分数的增加会使空间阻力增大 分散越困难 而 碳纤维较低的密度导致素坯的体积密度随着碳纤维含量的升高而降 低 较大颗粒的SiC有助于降低素坯的显气孔率 而且50 m和5 m粒径的S iC颗粒进行颗粒级配得到的素坯显气孔率最低 41 88 0 78 实验中利用所制备的素坯 通过硅的熔渗反应 制备了高致密 性 能优异的C f SiC复合材料 研究表明 添加35vol 碳纤维的复合材料弯曲强度可达412 47MPa 然而碳纤维过量导致纤维的 架桥 效应造成较多的坯体缺陷 进而导致材料性能的下降 减小SiC粒径可以有效降低复合材料的脆 性较高的残余硅的含量及尺寸 有利于提高复合材料的力学性能 对颗粒级配的研究表明50 m和5 m粒径的SiC颗粒级配后的力学性能 最高 弯曲强度可达到357 41MPa 短切碳纤维增强C f SiC复合材料制备与性能研究II添加了PVA的复合材料体现出高致 密度 低显气孔率的特点 添加4wt PVP的复合材料中生成了大量 纤维状的 SiC相 此时复合材料的弯曲强度最大 达到432 39MPa 通过树脂 乙醇溶液的浸渍裂解引入裂解碳后 可以有效避免碳纤维的损伤 而且随树脂浓度的增加 复合材料的致密度越高和力学性能也相应 提高 然而树脂浓度过高时坯体的显气孔率会急剧下降 不利于熔融硅的 渗透 无法实现复合材料的致密化烧结 复合材料出现在人类日常生活中已经有很久远的历史 2 伴随着近年来工业 航空航天 军事领域的飞速发展 人们对一种 高强度 力学性能优异的材料的渴望日益迫切 这也就推动了复合 材料的学科领域的发展 3 在上世纪50年代 70年代之间 人们就制备出了各种如SiC纤维 硼纤维 碳纤维 石 墨纤维及芳纶纤维等一系列具有高强度及高模量的纤维类的增强材 料 4 5 上述纤维类的增强材料可以与诸如金属的基体进行复合 如钛 铝 镁等 也可以与非金属的基体 如陶瓷 橡胶 石墨等 进行复合 以此来发挥其自身纤维的高强度 高模量的优点 6 在复合材料的非金属基体中 碳化硅 SiC 陶瓷是一种具有低密度 高强度 高硬度 耐腐蚀 高模量 低热膨胀系数 抗氧化等一系 列的优异性能的陶瓷材料 因此其在机械 航空 航天 军事 电 子 电力及石油化工等领域都有着十分广泛的应用 7 10 但是随着相关领域对SiC陶瓷性能的要求日益提高 其固有的脆性和 可靠性差的缺点限制了SiC陶瓷在目前相关领域的长久发展 因此需要以SiC陶瓷为基体来制备出一种高韧性 高强度且性能优良 的SiC基复合材料 为了达到上述目的 国内外学者纷纷采用了上文中提到的一些纤维 类的增强相来与SiC陶瓷进行复合 研究发现 在上述纤维中 碳纤 维和SiC纤维的增强效果最好 其能够充分发挥纤维对基体中的裂纹 偏转及纤维脱粘和纤维拔出的增强机理 能够最大限度的消耗基体 中的断裂能 使SiC陶瓷材料的脆性降至最低 这种方法制备出的碳纤维增强SiC基复合材料 Cf SiC复合材料 具 有较高的强度及韧性 理化性能均能够满足高温结构及功能材料的 要求 11 15 目前 在Cf SiC复合材料较成熟的工艺中所采用的为连续碳纤维 使用连续碳纤维制备复合材料时 需要根据所需要的构件的形状将 连续碳纤维编织成相短切碳纤维增强Cf SiC复合材料制备与性能研 究2中国科学院上海硅酸盐研究所硕士学位论文对应的形状的预制体 连续碳纤维制备出的Cf SiC复合材料具有性能上的 取向性 在 某些方向上的性能会与其他方向上的性能不一致 导致性能的不均 匀 因此 需要研究使用短切碳纤维来与SiC陶瓷进行复合 将短切碳纤 维经过均匀有效的分散 能够制备出性能均匀的复合材料 开展短切碳纤维增强SiC基复合材料的结构设计 工艺优化的基础性 工作 完善工艺流程 建立完整的生产流水线 对推动我国航空航 天及军事领域发展具有举足轻重的作用 1 2Cf SiC复合材料的增强相及基体简介上文中提及 复合材料是由 两种或两种以上不同的物质经过一定的手段结合出的具有新的特性 的材料 这种新的复合材料能够结合几种主要组成物质的优点 理论上可以与SiC陶瓷一起制备成复合材料的纤维可以有很多种 包 括SiC纤维 硼纤维 碳纤维 石墨纤维及芳纶纤维 这些纤维均具 有较高的强度及模量 理解清楚纤维在基体中发挥作用的机制及纤维自身的物化性质有利 于简化复合材料的制备流程 优化工艺及提高材料性能 在工业中进行生产并应用的纤维一般只有四种 包括Al2O3纤维系列 SiC纤维系列 Si3N4纤维系列及碳纤维系列 16 而碳纤维系列是当下应用最为广泛 工艺流程 制备技术手段最为 成熟的纤维之一 本课题所研究的Cf SiC复合材料主要由增强相碳纤维和基体相SiC陶 瓷所组成 下面对可碳纤维和SiC陶瓷进行介绍 1 2 1碳纤维的基本性质碳纤维是一种由碳元素组成的纤维 其含碳 量一般超过90 17 19 图1 2为碳纤维的分子结构 其性能优异 经过科研人员超过200年 的不断的探索 碳纤维已经成为研究的最为成熟 性能最好的纤维 之一 碳纤维的使用环境温度可以超过3000 因其较低的密度 1 6 1 8g cm3 高比强度 低热膨胀系数 耐腐蚀 高模量等优异的 性能 20 被广泛应用在航空航天 休闲体育用品等领域中 21 从上世纪50年代起碳纤维就已经作为结构材料使用 目前在世界范 围内 日本 如东丽公司 Toho Tenax公司 英国 如赫克里士高级材料与系统公司 美国 如 AMOCO公司 及德国 如SGL Carbon公司 均能生产出性能第1章绪论中国科学院上海硅酸盐研究 所硕士学位论文3十分优异的商品碳纤维 我国的碳纤维的生产技术 在稳步发展当中 如吉林炭素纤维有限公司 一些应用较多的碳纤维的基本性能如下表1 1所示 22 23 表1 1典型碳纤维的主要性能Table1 1Properties oftypical carbonfibers商号密度 g cm3 直径 m拉伸强度 Gpa拉伸模量 Gpa T3001 767 03530230T4001 807 04410250T700S1 807 04900230T800 HB1 815 05490294T1000G1 805 07060294M301 706 63920294M501 9 16 42450490M35J1 755 34700343M46J1 845 24210436M60J1 945 03 920588HTA51311 777 03950238HTS56311 777 04300238STS56311 79 7 04000240UMS27311 784 84560395AS41 77 3930221IM91 79 63432 96P552 00 1940387Sihrafil C1 807 03800230JC 11 767 04240220在目前已知的纤维当中 碳纤维的高温性能相比较 是十分优异的 在超过2000 的惰性气氛中 碳纤维的各项基本性 能基本保持不变 这是其他增强的纤维所无法比及的一点 是目前 高温性能最好的一类纤维 而且其具有较好的耐化学腐蚀的特性 对一般的酸碱是呈惰性的状 态 这会大大增加碳纤维在实际应用短切碳纤维增强Cf SiC复合材 料制备与性能研究4中国科学院上海硅酸盐研究所硕士学位论文领域 的广泛性 但是碳纤维也有自身的不足之处 例如 碳纤维因其含碳量过高 会被强氧化剂所氧化 而且在高温环境下的抗氧化性能也较差 在 氧化气氛下 温度超过400 后碳纤维会出现较为明显的氧化失重和 性能的下降现象 24 图1 2碳纤维的分子结构Figure1 2Molecular struc