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碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究

碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究
AStudyoftheCeramicMatrixComposites
ReinforcedbyCarbonFibers

杨雪戴永耀赵广文金东明(北京航空材料研究院)
YangXueDaiYongyaoZhaoGuangwenJinDongming
(InstituteofAeronauticalMaterials,Beijing)

[摘要]使用CVD技术提高纤维增强陶瓷基复合材料的密度是很困难的,因为它很难使反应气体完
全渗入到基体里面。这是由于“瓶颈”效应所致,即CVD过程阻塞了基体表面的小气孔,进而封闭了通向大
气孔的入口。为此,提出一种新的方法位控CVD(PCCVD),来克服上述困难。通过控制反应气体通道位置和
试样的加热位置,从而达到控制沉积位置,使沉积界面始终处于开孔状态。使用PCCVD技术制造的CöSiC
复合材料,实际密度可达其理论密度的96%。
关键词碳纤维增强陶瓷基复合材料
[Abstract]OneoftheproblemswiththeuseofCVDtechniquestodensifytheceramicma2
trixreinforcedbyfibersisthedifficultyinachievingcompleteinfiltration1Thisisdueto“bottle2
neck”effectsinwhichtheCVDmatrixclosesoffsmallpores,whichinturnblocksaccesstolarg2
erpores1Tothisendanewmethod,positioncontrolCVD(PCCVD),toovercomethedifficulty
abovementionedispresented1Bymeansofcontrollingthereachingpositionofreactgasesandthe
heatingpositioninmatrix,thecloseporesinthematrixdensifiedbyPCCVDtechniquehavenot
comeintobeingfromstarttofinish1Thereareonlyafew,ifany,poresinmatrixandthedensity
ofCöSiCcompositesmanufacturedbyPCCVDtechniquecanachieve96%oftheoreticaldensity1
Keywordscarbonfibersreinforcedceramicmatrixcomposites

1引言存在着致密性差(一般只能达到理想密度的70%～
80%)[4]、不易成型且沉积时间过长等问题。为了解决上
发展更高效率热机的关键在于提高工作温度,而提述问题我们提出了一种新工艺新方法PCCVD即位控化
高工作温度之关键又取决于更高工作温度材料的研制。学气相沉积法,并进行了初步试验。
镍、钴基高温合金已发展到接近其使用温度的极限,因
实验方法
此要进一步提高发动机的效率,就必须研制和发展陶瓷2
基复合材料。连续纤维增强陶瓷基复合材料(CFCC)是
211实验材料
最有希望满足发动机高温部件要求的材料,而制造
通过PCCVD来制造碳纤维增强碳化硅复合材料。
CFCC的工艺则是其中最关键的问题。传统的热压烧结
本工艺选用高模量碳纤维(抗张强度为212GPa,抗张模
工艺会大大损伤纤维,并使纤维和基体发生严重的化学3
量为360GPa,密度为118göcm)和甲基三氯硅烷
反应[1～3]。溶胶凝胶法和化学气相沉积
2(sol2gel)(MTS)。MTS的纯度约为94%。使碳化硅基体沉积在碳
(CVD)或渗透(CVI)则是制造CFCC的较好方法,但纤维预制件上。
使用溶胶2凝胶法生产出的复合材料密度较低,制造温212PCCVD的原理
度仍较高(约1300～1400℃),而且还需加压,不够理在传统的CVD工艺中,反应气体是通过载气(或许
想。而CVD(CVI)只能沉积简单的薄壁件,如单层纤维参加也可能不参加反应)携带到加热的预制件上,在预
薄片或薄壳型材料。对于粗厚型件内部往往出现孔洞,制件的表面,气体反应形成固体沉积物,而反应生成的
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材料工程ö1999年2期

气体由载气带出沉积系统。在沉积过程中,整个预制件的压力差,迫使反应气流经沉积界面后流出;
里外同时沉积,由于预制件的外部比内部有更多的机会(3)沉积界面以一定的速度在沿温度梯度方向移
接触反应气体,而迅速达到完全沉积。结果,通向预制动并且移动速度必须与预制件中碳化硅的沉积速度相
件内部的入口被封闭[5],使得反应