铝硅酸盐纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的制备与性能

1、铝硅酸盐纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的制备与性能连续氧化物纤维增强氧化物( Oxide/Oxide )陶瓷基复合材料( CMC)s 具有 高韧性、高比强度和高比模量 , 抗氧化性能和介电性能优异 , 是目前高温结构和功 能材料研究的重要方向。本文以连续铝硅酸盐(AS纤维和氧化物(SiO2和 AI2v/subOvsub3v/sub-SiO2v/sub )溶胶 为原料, 在纤维和基体特性研究的基础上 , 经溶胶-凝胶( Sol-Gel )工艺制备了 ASf/Oxide 复合材料。重点研究了热处理温度对复合材料微观结构、力学性能和界面特性的影响。 从力学性能优化的角度出发 , 开展了 ASf/Oxi

2、de 复合材料的界面调 控研究，采用的界面相为裂解碳(Py C)和牺牲碳(FC。最后, 从高温应用的角度出发 , 对优选的 ASf/Oxide 复合材料的 力/热/电等综合性能进行了研究。对AS纤维组成、结构和力学性能的高温演变 行为进行了研究,结果表明:AS纤维主要由丫 -AI2O3和 无定形SiO2组成,经1100C处理后,发生莫来石化反应。随着温度的继续升高，莫来石晶粒逐渐长大。AS纤维表面均匀致密，经高温 处理后 , 纤维表面逐渐变粗糙并形成明显的晶粒和微孔。纤维发生的晶型转变和晶粒长大过程对其力学性能影响较大。 随着热处理温 度的升高 , 纤维的强度分散性逐渐增加 , 单丝拉伸强度逐

3、渐降低。当热处理温度低于1300C时,强度保留率73.26%;1400C热处理后,强度保留率降至33.69%。SiO2溶胶中胶粒粒径较小、分散均匀度较高。其凝胶为无定形结构,经1400C煅烧后,SiO2玻璃中析出方石 英。当烧结温度超过1000C时,SiO2陶瓷的烧结程度较高,致密度>90.0% 。Al2O3-SiO2 溶胶由球形SiO2胶粒和棒状勃姆石胶粒组成,胶粒粒径较大。其凝胶由勃姆石和 无定形SiO2组成,经1300C煅烧后,发生莫来石化反应。当烧结温度超过1200 C时,AI2v/subOvsub3v/sub-SiO2v/sub 陶瓷烧结程度较高,致密度 >80.0%。随

4、着烧结温度的升高,SiO2和AI2O3-SiO2 陶瓷的弹性模量和硬度均逐渐 升高。开展了 ASf/Oxide 复合材料的制备与性能研究 , 结果表明 : 随着 热处理温度的升高 , 复合材料的密度逐渐升高、 孔隙率逐渐降低 , 弯曲强度、剪切 强度和断裂韧性均先升高后降低。900 E制备的ASf/SiO2 复合材料的弯曲强度、 剪切强度和断裂韧性均达最大，分别为 119.7 7.5 ( MPa、10.8 0.7 (MPa 和 4.0 0.4 (MPam1/2)。当热处理温度高于1100C时,ASfv/sub/SiO2v/sub复合材料 中基体裂纹会贯穿纤维 , 纤维压入测试( Fiber p

5、ush-in test )研究证实复合材 料的界面剪切强度显著增加，TE M分析证实纤维与基体之间发生了扩散反 应;1100 C制备的ASf/AI2O3-SiO2 复合材料的弯曲强度、剪切强度和断裂韧性均达最大 ,分别为 90.06.8(MPa、 11.11.0(MPa和3.6 0.2 (MPa- m1/2)。当热处理温度高于 1200C时 ,ASf/AI2O3-SiO2 复合材料 中基体裂纹会贯穿纤维 , 界面剪切强度显著增加且发生界面反应研究了 ASf/Oxide 复合材料的高温力学性能 , 结果表明 : 随着温 度的升高，复合材料的弯曲强度先升高后降低，弹性模量则一直降低。900C 时,

6、ASfv/sub/SiO2v/sub复合材料的弯曲强度达最大,为132.2 14.5 (MPa ；1000 C时 ,ASf/Al2O3-SiO2 复合材料 的弯曲强度达最大,为122.7 7.9 (MPa。开展了 ASfv/sub/Oxide复合材料的界面调控研究,结果表明：当CVDPy C涂层的沉积温度为1000C、沉积时间低于5h时，涂层的生长过程受表面反 应控制,涂层结晶性较好、厚度适中，涂层纤维的强度保留率较高。引入 Py C界 面相后 ,ASf/Oxide 复合材料的界面结合显著弱化 , 力学性能有所提 升。TEM分析证实Py C界面相为乱层结构,且与纤维和基体的理化相容性较好。将P

7、y C界面相氧化后，纤维与基体之间留下缝隙，形成牺牲碳(FC界面相,载荷 传递主要通过界面处的机械互锁和摩擦力来实现 , 纤维增韧机制可以有效发挥。缝隙宽度对复合材料的力学性能影响较大 ： 当初始界面相沉积时间为 3h 时,1200 C制备的ASf/FC/SiO2复合材料的力学性能最 优,弯曲强度和弹性模量分别为106.4 6.7 (MPa和23.3 3.0 (GPa ;当初始 界面相沉积时间为3h时,1300 C制备的ASf/FC/Al2O3-SiO2 复合材料 的力学性能最优 ,弯曲强度和弹性模量分别为 100.97.2(MPa 和 30.01.4(GPa。研究了 ASf/FC/Oxide

8、复合材料的高温力学性能，结果表 明:1100 C时,ASvsubfv/sub/FC/SiOvsub2v/sub复合材料的弯曲强度和弹性 模量分别为 106.5 15.8 ( MPa 和 14.5 5.3 (GPa ；1200 C 时 ,ASf/FC/Al2O3-SiO2 复合 材料的弯曲强度和弹性模量分别为 83.0 5.1 (MPa和20.2 1.3 ( GPa。采用图像关联法(DIC)研究了复合材料的断裂过程,发现复合材料中初始裂 纹的诱导载荷低于峰值载荷 , 且高温时裂纹扩展速率变慢。研究了 ASf/Oxide 复合材料的热物理性能、介电性能和热稳定性(热老化 和抗热震) , 结果表明

9、:ASf/SiO2 和 ASf/Al2O3-SiO2 复合材料的 室温热导率分别为0.28W/ (K和0.30W/ (K),且均随温度的升高先降低 后升高；室温热膨胀系数(CTE分别为2.42 X 10-6/K和2.35 X 10-6/K。ASf/SiO2复合材料的CTE随温度的升高先增加,当 温度超过210C后稳定至5.19 X 10-6/K；ASf/Al2O3-SiO2 复合 材料的CTE随温度的升高缓慢增加，室温1000C区间内的平均CTE 为 5.03 X 10-6/K。ASf/SiO2 和 ASf/Al2O3-SiO2 复合材料的 室温介电常数和损耗角正切分别为 3.63、0.28 X 10-2和4.75、0.19 X 10-2,且 频散效应不明显 ,均随温度的升高而增加。1200E时,两类复合材料的介电常数和损耗角正切分别增加至4.38、5.53 X10-2 和 5.50、2.55 X 10-2 (f=9.375GHz)。经 1200C 处理 10h (或热震考核 20 次)后 ,ASf/SiO2 复合材料的弯曲强度保留率为 34.7%（或58.6%）;经1300E处理10h （或热震考核20次）后 ,ASf/Al2O3-SiO2 复合材料 的弯曲强度保留率为 78.0%（或 74.6%）。可见 ,