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C/C泡沫预制体气相反应制备C/SiC复合材料的研究

作　者: 刘伟
导　师: 刘荣军
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: C/SiC 气相反应 孔径分布 C/C泡沫预制体 CVD SiC 高温热处理
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 70次
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内容摘要


C/SiC复合材料以其低密度、高模量、低的热膨胀系数和高的导热系数等独特性能在新型光学反射镜方面具有广阔的应用前景。本文在全面综述C/SiC复合材料反射镜的制备工艺和研究进展的基础上,针对在气相反应过程中C/C预制体孔径分布不均匀而造成Si-C反应不完全、材料性能不高的缺点,在预制体制备过程中引入C泡沫的制备技术,得到了一种新型的C/C泡沫复合材料预制体。预制体再气相反应制备出了性能优异的C/SiC复合材料。研究了C/C预制体孔隙率和孔径分布对气相反应制备C/SiC复合材料的影响规律,发现C/C预制体孔隙率为48.41%、最可几孔径分布为18μm时气相反应制备的C/SiC复合材料性能较好,强度为146MPa,模量为221GPa。结合Si-C气相反应机理和C/C预制体孔径分布研究得出:当预制体孔径小于10μm时,气相Si在小孔内发生凝聚,Si-C反应产生的体积膨胀堵塞Si的扩散通道,造成反应终止。孔径大于10μm时,气相Si和C反应生成SiC。当Si-C反应完全后,若剩余孔径大于10μm时,则会在复合材料中留下气孔。结合C泡沫孔径分布均匀的特点和气相反应对C/C预制体孔结构的具体要求,首次在C/C预制体制备过程中引入C泡沫发泡技术,制备出了一种新型的C/C泡沫预制体。采用黏胶基碳毡为增强体,通过发泡工艺制备出了C/C泡沫预制体并经气相反应得到了C/SiC复合材料。黏胶基C/C泡沫预制体孔径分布在20μm左右时制备的C/SiC复合材料性能较好,强度为137MPa,模量为150GPa。黏胶基碳毡本身强度不高和纤维被硅化是造成所制备的复合材料性能不佳的主要原因。采用T700 C纤维制备了整体碳毡,利用CVD C和SiC涂层对碳毡进行界面预处理后再发泡制备了C/C泡沫预制体。经CVD SiC 15h预处理的预制体气相反应制备的C/SiC复合材料的性能较优异,强度为156MPa,模量为289GPa。高温热处理可以使C/C泡沫预制体中部分闭孔转变为开孔,为气相Si的扩散渗入提供了更多的孔隙通道。CVD SiC15h预处理的C/C泡沫预制体再经高温处理后,制备的C/SiC复合材料的性能得到进一步提升,其强度为165MPa,模量为322GPa,热导率为106.2W·m-1·K-1。

全文目录


摘要  9-10
ABSTRACT  10-11
第一章 绪论  11-28
  1.1 高分辨率空间相机对反射镜的各种要求  11-13
    1.1.1 高分辨率空间相机对反射镜材料的要求  11-12
    1.1.2 高分辨率空间相机对反射镜轻量化结构的要求  12-13
  1.2 反射镜材料和轻量化结构研究现状  13-15
  1.3 C/SiC复合材料反射镜的制备及其应用进展  15-21
    1.3.1 C/SiC复合材料反射镜的特色与优势  15-16
    1.3.2 C/SiC复合材料反射镜的制备工艺  16-19
    1.3.3 C/SiC复合材料反射镜的应用进展  19-21
  1.4 液/气相反应工艺中C/C预制体的优化研究  21-26
    1.4.1 C/C预制体优化的方法  22-23
    1.4.2 C泡沫发泡技术在C/C预制体优化研究中的应用探索  23-26
  1.5 论文选题依据与研究内容  26-28
第二章 实验与研究方法  28-33
  2.1 实验用主要原材料  28-29
  2.2 复合材料制备工艺  29
    2.2.1 C/C泡沫预制体的制备  29
    2.2.2 C/SiC复合材料的制备  29
  2.3 物理及力学、热学性能测试  29-32
    2.3.1 密度及孔隙率测试  29-30
    2.3.2 残余Si和残余C含量测试  30-31
    2.3.3 弯曲强度和弹性模量测试  31-32
    2.3.4 孔径分布测试  32
    2.3.5 热导率测试  32
  2.4 物相组成与显微结构表征  32-33
    2.4.1 物相组成分析  32
    2.4.2 显微组织结构观察与分析  32-33
第三章 C/C泡沫预制体的制备及其气相反应制备C/SiC复合材料的研究  33-67
  3.1 气相反应C/SiC复合材料组成设计  33-39
    3.1.1 气相反应C/SiC复合材料组成设计原则  33-35
    3.1.2 C/C预制体孔隙率对气相反应C/SiC复合材料性能的影响  35-36
    3.1.3 Si-C气相反应机理研究  36-39
    3.1.4 小结  39
  3.2 C/C泡沫预制体的设计思路  39-43
    3.2.1 C泡沫的结构  39-40
    3.2.2 C泡沫预制体气相反应制备C/SiC复合材料研究  40-43
    3.2.3 C/C泡沫预制体的设计  43
    3.2.4 小结  43
  3.3 C/C泡沫预制体气相反应制备C/SiC复合材料的可行性研究  43-53
    3.3.1 C/C泡沫预制体的制备  44-46
    3.3.2 C/C泡沫预制体气相反应制备C/SiC复合材料  46-52
    3.3.3 小结  52-53
  3.4 C/C泡沫复合材料预制体的优化制备  53-59
    3.4.1 碳毡界面涂层预处理  53-56
    3.4.2 C/C泡沫复合材料预制体的制备  56-57
    3.4.3 高温热处理对C/C泡沫预制体孔隙率的影响  57-59
    3.4.4 小结  59
  3.5 C/C泡沫预制体处理方式对C/SiC复合材料结构及性能的影响  59-65
    3.5.1 界面涂层预处理的影响  59-62
    3.5.2 高温热处理的影响  62-64
    3.5.3 小结  64-65
  3.6 本章小结  65-67
结束语  67-69
致谢  69-70
参考文献  70-77
作者在学期间取得的学术成果  77

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料 > 非金属复合材料
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