短碳纤维增韧石英复合材料性能研究.pdf

短碳纤维增韧石英复合材料性能研究*

曹俊李建保杨晓战胡晓清张大海2黎义，2
(1清华大学材料系新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京100084)
(2先进功能复合材料技术国防科技重点实验室，北京100076)

文摘以短碳纤维为初始原料，采用溶胶一凝胶技术引入Si02组分，在一定的热压烧结制度下得到
致密Cf／SiO2复合材料；研究了其烧结条件、力学性能、线膨胀及烧蚀性能。实验表明，基体保持非晶态，可达
到99％的致密度；随碳纤维含量的增加，弯曲强度(f)无显著变化，断裂韧性(K1c)先升后降；线膨胀系数随
碳纤维含量增加而增加，该材料具有良好的抗热震及耐烧蚀性能。
关键词石英，碳纤维，复合材料，力学性能，耐烧蚀

AStudyonPropertiesofShortCarbonFiberReinforcedSilica
GlassMatrixComposite

CaoJunLiJianbaoYangXiaozhanHuXiaoqingIZh~ngDahai2LiYi·2
(1TheStateKeyLabofNewC~ranlic8andFinePIocessiIlg，TsinghuaUniversity，~ijmg100084)
(2KeyLabofAdvancedFunctionalCompositeMaterials，~ijmg100076)

AilstraaShortcarbonffl~erreinforcedsilica妇matrixcompositesaremanufac~undercertainparticularhot
pressedconditionswitlIsol-gelsilicaandshortcarbonfibersasrawmaterials．1[1lesinteringconditions．mechanicalprop—

erties．1inearexpansionandablationpropertiesarestudied．1[1lematrixremainsamorphousandfulldense．Withincre—
mentofcarbonffl~ercontent，flexuralstrength(tTf)ishardlycl瑚ged，whilefracturetoustme~(K1c)isupandthen
dropp~down．Iti8demonstratedthatthecompositehasexcellentthermalshockandablationresistance．andcoeficient

oflinearexpansioni8increasedwiththeaddingofcarbonffl~er．
KeywordsSilica，Carbonffl~er，Composite，Mechanical，Ablationresistance

1引言裂韧性是石英玻璃的12倍，断裂功则较石英玻璃高
石英玻璃(Si02)材料具有良好的耐烧蚀性能，2～3个数量级L2J。但是由于连续纤维工艺复杂，限
通过与纤维、晶须等复合改善其韧性，可以在航天器制其广泛的应用，继而有人使用短碳纤维[]或SiC
抗烧蚀端头、翼前缘等部件获得应用⋯1。晶须l6]作为增强体，取得了较好的效果。本文采用
碳纤维与石英具有较好的化学相容性和物理匹溶胶一凝胶技术，配合热压工艺，得到短碳纤维增韧
配性，碳纤维增韧石英基复合材料，有效改善了基体石英复合材料，并对其烧结条件、力学性能、线膨胀
脆性，是一类成功的耐烧蚀材料。如连续碳纤维单及烧蚀性能进行了研究。
向补强石英复合材料的拉伸强度达到600MPa，断2实验

收稿日期-'2003—06—20
*国家自然科学基金资助：59972014、59425007
曹俊，1976年出生，硕士研究生，主要从事陶瓷基复合材料、纤维增韧复合材料的研究工作
宇航材料工艺2OO3年第6期·-——43·-——

·口一方石英
实验采用溶胶一凝胶技术引入s。碳纤维直★★★★
径7／an，初始长度约5mill，球磨切短后长度10tam～
40tan。碳纤维均匀分散在硅溶胶后，烘干研细，在
石墨发热体的热压炉中烧结，于1400~C保温∞
rain，热压压强20MPa。
x衍射测定石英基体的晶体含量，光学显微镜一
(OlympusBX一50)测定碳纤维分布，FE—sEM
℃
(JsM—6301F)显示断口形貌。

用阿基米德排水法测定密度；采用三点弯曲法，l0203040
在综合力学测试仪SHIMADZU(AG_20oA)上测量2(。)
弯曲强度(3nRll×4mill×30lm)、断裂韧性(4ITlnl×(b)空气
6nlln×24nlln，切口深度2