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以LPVCS为先驱体制备SiC_f/SiC复合材料工艺研究

作　者: 王飞
导　师: 周新贵
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: SiC_f/SiC 复合材料 液态先驱体 模压 界面层 力学性能
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


连续SiC纤维增强SiC基复合材料（ SiCf/SiC ）因其具有低密度、高强度、高模量、耐冲击、耐高温以及良好的抗氧化性等特点,已成为目前最有前途的高温热结构材料之一,在航空航天领域有着广泛的应用前景。先驱体浸渍裂解工艺（ PIP ）是一种常用的SiCf/SiC复合材料制备工艺,而使用该工艺时先驱体的选用则直接决定材料的制备周期、制品孔隙率的大小,进而影响复合材料的性能。此外纤维-基体界面在提高复合材料性能方面有着至关重要的作用,进行界面相优化是提高SiCf/SiC复合材料力学性能的重要手段之一。本文选用一种含活性Si-H和-CH=CH2基团的液态先驱体LPVCS作为原料,增强体选择国产KD-I型SiC纤维。通过CVD工艺在SiC纤维表面制备裂解碳（ PyC ）涂层,采用涂层纤维制备SiCf/SiC复合材料,在交联过程中采取模压工艺辅助材料成型。结合对复合材料力学性能、微观结构的分析和表征,研究先驱体种类、模压工艺以及界面层对SiCf/SiC复合材料性能的影响。研究表明:采用LPVCS为先驱体只需10个周期即可完成SiCf/SiC复合材料的制备,制得的材料开孔率为5.12%,密度为2.11g/cm3;采用PCS作为先驱体则需14个周期才能完成材料的制备,制得SiCf/SiC复合材料的开孔率为8.80%,密度为1.97g/cm3。由此可知,先驱体LPVCS的使用可有效提高材料致密度,降低制备成本。在以LPVCS为先驱体制备SiCf/SiC复合材料时,交联过程中采用模压成型工艺可以将复合材料的制备周期降至9周期,同时纤维体积分数可以从40%提高到50%,制备得到的复合材料密度在2.11g/cm3以上。此外模压成型工艺的压力大小以及模压时间也会影响复合材料的性能,通过分析确定的最佳的模压过程为:先驱体LPVCS交联开始时对编织件施加压力,升温交联结束后即刻卸压,模压压力控制在1MPa5MPa之间,模压时间5小时左右。通过对复合材料界面层的研究发现,PyC涂层、碳纳米管界面层以及二者的复合界面层都可以在模压过程中发挥缓冲作用,避免纤维因相互挤压造成损伤;其中PyC涂层对纤维-基体界面的改善效果最好,实现了复合材料的增强增韧,与模压工艺相结合制备得到的SiCf/SiC复合材料弯曲强度达到657.88MPa,断裂韧性26.80MPa/m1/2,弹性模量94.30GPa。

全文目录


摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章 绪论  12-27
  1.1 研究背景与意义  12-18
    1.1.1 SiC_f/SiC 复合材料简介  12-13
    1.1.2 SiC_f/SiC 复合材料在航空航天领域的应用  13-18
  1.2 SiC_f/SiC 复合材料的研究进展  18-25
    1.2.1 SiC_f/SiC 复合材料制备工艺  18-22
    1.2.2 PIP 工艺制备SiC_f/SiC 复合材料料研究进展  22-25
  1.3 论文选题依据及研究内容  25-27
    1.3.1 选题依据  25
    1.3.2 研究内容  25-27
第二章 实验工艺与研究方法  27-33
  2.1 实验原料  27-28
    2.1.1 增强纤维  27
    2.1.2 陶瓷先驱体  27-28
    2.1.3 其他实验用品  28
  2.2 实验仪器和设备  28
  2.3 SiC_f/SiC 复合材料制备工艺流程  28-30
  2.4 分析方法与表征手段  30-33
    2.4.1 复合材料密度与开孔率测试  30
    2.4.2 复合材料力学性能测试  30-32
    2.4.3 物相分析  32
    2.4.4 显微组织结构表征  32-33
第三章 不同先驱体制备SiC_f/SiC 复合材料工艺研究  33-57
  3.1 陶瓷先驱体特征对比  33-39
    3.1.1 LPVCS 与PCS 本征性质对比  33-37
    3.1.2 先驱体裂解产物特征对比  37-39
  3.2 先驱体种类对SiC_f/SiC 复合材料性能的影响  39-45
  3.3 模压成型工艺参数对SiC_f/SiC 复合材料性能的影响  45-57
    3.3.1 SiC_f/SiC 复合材料模压成型工艺流程  45-46
    3.3.2 模压压力对SiC_f/SiC 复合材料性能的影响  46-53
    3.3.3 模压时间对SiC_f/SiC 复合材料性能的影响  53-57
第四章 纤维-基体界面层对SiC_f/SiC 复合材料性能的影响  57-73
  4.1 PyC 涂层对SiC_f/SiC 复合材料性能的影响  57-64
  4.2 原位生长CNTs 对SiC_f/SiC 复合材料性能的影响  64-69
  4.3 CNTs+PyC 复合界面层对SiC_f/SiC 复合材料性能的影响  69-73
第五章 结论  73-75
致谢  75-76
参考文献  76-80
作者在学期间取得的学术成果  80

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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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