碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料.ppt

碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料碳化硅陶瓷因具有高强度、高硬度、抗腐蚀、耐高温和低密度而被广泛用于高温和某些苛刻的环境中,尤其在航空航天飞行器需要承受极高温度的特殊部位具有很大的潜力。但是,陶瓷不具备像金属那样的塑性变形能力,在断裂过程中除了产生新的断裂表面吸收表面能以外,几乎没有其它吸收能量的机制,这就严重限制了其作为结构材料的应用。碳纤维具有比强度高、比模量大、高温力学性能和热性能良好等优点,在惰性气氛中2000时仍能保持强度基本不下降。用碳纤维增强碳化硅复合材料,材料在断裂的过程中通过纤维拔出、纤维桥联、裂纹偏转等增韧机制来消耗能量,使材料表现为非脆性断裂。Cf/SiC复合材料综合了碳纤维优异的高温性能和碳化硅基体高抗氧化性能,受到了世界各国的高度关注,并广泛应用在航空、航天、光学系统、交通工具(刹车片、阀)等领域。碳纤维与基体间存在一系列界面问题:如界面润湿性差,化学、物理相容性差等,极大地影响着复合材料的力学性能,且碳纤维未经表面处理前,其活性比表面积小(一般小于1m2/g),表面能低,表面呈现出憎液性,限制了碳纤维高性能的发挥。为了提高碳纤维的表面化学活性,增强碳纤维表面与基体的结合能力,进而提高复合材料的性能,对碳纤维进行表面处理是很有必要的。
目前,碳纤维表面改性处理主要有表面氧化处理、表面涂层处理、表面生长晶须等方法。在研究的诸多碳纤维表面处理方法中,空气氧化法简单,耗时少,但操作弹性小,氧化反应不易控制;液相氧化法主要是采用硝酸、酸性重铬酸钾、次氯酸钠等强氧化性液体,对碳纤维表面进行处理,处理比较温和,不过耗时较长;电化学氧化法简单易操作,处理条件温和并易于控制,处理效果明显。表面涂层处理是对碳纤维表面沉积一层无定形碳来提高其界面粘结性能,多采用气相沉积技术,操作较复杂,周期长。纤维增韧陶瓷基复合材料的性能取决于各组分的性能、比例以及纤维结构。复合材料的显微结构在很大程度上取决于复合材料的制备工艺。目前,Cf/SiC复合材料的主要制备方法有:热压烧结法、先驱体转化法、化学气相渗透法、反应熔体浸渗法和一些改进的综合工艺。

热压烧结法：让纤维通过一个含有超细基体陶瓷粉末的料浆容器使之浸渍,然后将浸挂料浆的纤维缠绕在卷筒上,烘干、切断,得到纤维无纬布,将无纬布按所需规格剪裁,层叠在一起,最后热模压成型和热压烧结后制得复合材料。
化学气相渗透法：通过孔隙渗入到预制体内部沉积。
反应熔体浸渗法：是在高温下真空环境中用熔融的Si对多孔C/C复合材料进行浸渗处理,使液态Si在毛细作用下渗入C/C多孔体中,并与C组分发生反应生成SiC基体。

先驱体转化法又称聚合物浸渍裂解法(precursorinfiltrationpyrolysis,PIP)是近年来发展的新工艺和新技术。它是将含Si的有机聚合物先驱体(如聚碳硅烷、聚甲基硅烷等)溶液或熔融体浸渍到碳纤维预制体中,干燥固化后在惰性气体保护下高温裂解,得到SiC基体。
目前性能较好、比较实用的PCS、聚硅氮烷、聚硅氧烷等几种陶瓷先驱体大都有如下结构:
(1)主链是—Si—M—Si—结构(M是C、O、N等元素)。若主链偏离热解产物结构,在裂解过程中一定会经历重排生成—Si—M—Si—结构,而重排反应会伴随大量气体逸出,导致陶瓷产率较低;
(2)支链上的非活性基团一般是较短的碳链基团,因为大部分非活性基团在裂解过程中会被脱除,仅有一小部分能进入到主链并保留下来。如果基团太长,裂解时会有较大失重,陶瓷产率降低;
(3)支链上的活性基团主要是Si2H、N2H、C=C或C≡C,它们可通过多种方式交联固化。因为Si2H较活泼,所以Si2H数量不宜过多,否则先驱体稳定性下降。