碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料.ppt

1、碳纤维增强SiC陶瓷基复合材料,概括,结构 性能,制备工艺,应用,展望,碳纤维增强SiC陶瓷基复合材料,概括,结构 性能,制备工艺,应用,展望,一、概括,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

2、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、交通工具等领域。,二、结构和性能,结构：CfSiC复合材料是以碳纤维为增强纤维、SiC为陶瓷基体，通过某种制备工艺复合起来的一种纤维增强陶瓷基复合材料。,A,特点：比强度高轻质高强 比模量高刚性好 耐疲劳 热膨胀系数小 尺寸稳定 真空环境中显示出优异的特性,B,三、制备工艺,纤维增强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

3、于复合材料的制备工艺。根据实际应用领域的需求以及CfSiC复合材料的性能需求的不同，已开发出以下几种制备工艺：化学气相渗透法(CVI)、先驱体转化法(PIP)、浆料浸渍烧结法、液相硅浸渍法(LSI)和一些综合的制备工艺。,化学气相渗透法(CVI)是在化学气相沉积(CVD)的基础上开发的。主要制备流程为：先将碳纤维预制体置于密闭的反应室内，在高温下采用蒸气渗透法，将反应气体渗入到预制体内部或表面产生化学反应，生成陶瓷基体。对于CfSiC复合材料的CVI制备工艺常以三氯甲基硅烷(MTS)、四甲基硅烷(TMS)等反应气体为原料，H2为载气，Ar为稀释气体，高温下抽真空在碳纤维预制体上沉积SiC陶瓷基

4、体。 优点：纤维与基体材料之间不会发生高温化学反应，内部的残余应力小，对纤维本身损伤较小，保证了复合材料结构的完整性；能制备形状复杂、纤维体积分数大的CfSiC复合材料。 缺点：随着渗透的进行，纤维预制体内孔隙变小，渗透速度变慢，导致生产周期较长，且设备复杂，制备成本高；制成品孔隙率大，材料致密度低，从而影响复合材料的性能 改善：均热法、热梯度法、等温强制流动等工艺,,1。化学气相渗透法(CVI),先驱体转化法(PIP)是近年来发展迅速的一种制备CfSiC复合材料的制备工艺，由于成型工艺简单、制备温度较低等特点而受到关注。该方法是利用有机先驱体在高温下裂解进而

5、转化为无机陶瓷基体。基本流程为：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陶瓷基体，并通过多次浸渍裂解处理后可获得致密度较高的CfSiC复合材料。 优点：在聚合物中浸渍，能得到组成均匀的陶瓷基体，具有较高的陶瓷转化率；预制件中没有基体粉末，因而碳纤维不会受到机械损伤。裂解温度较低，无压烧成，因而可减轻纤维的损伤和纤维与基体间的化学反应。 缺点：致密周期较长，制品的孔隙率较高，对材料蠕变性能有一定影响；基体密度在裂解前后相差很大，致使基体的体积收缩很大(可达5070)，因此需要多次循环才能达到致密化。,2

6、、先驱体转化法(PIP),浆料浸渍烧结法是制备CfSiC复合材料的传统方法(一般温度在1300以下)，也是最早用于制备CfSiC复合材料的方法。其主要工艺过程如下：将SiC粉末、烧结助剂粉末和有机粘结剂用溶剂制成浆料，浸渍碳纤维制成无纬布，经切片、叠加、热模压成型和热压烧结后制得CfSiC复合材料。 优点：基体软化温度较低，可使热压温度接近或低于陶瓷软化温度。适用于制备单层或叠层构件，致密度较高且缺陷少。 缺点：SiC陶瓷基体的烧结温度一般在1800以上（添加加烧结助剂，常见的有TiB2、TiC、B、BN等）。,3、浆料浸渍烧结法,4、液相硅浸渍法(LSI),液相硅浸渍法是通过Si+C反应烧结

7、生成，也称反应熔体浸渗法主要工艺流程如下：纯固体硅于1700左右熔融成液态硅，通过CC复合材料中大量分布的气孔，利用毛细作用原理渗透到预制体内部并与C发生反应生成SiC陶瓷基体。 优点：工艺时间短，成本低。同时还可以制备大尺寸、复杂的薄壁结构组件。 缺点：制备CfSiC复合材料时，由于熔融Si与基体C发生反应的过程中，不可避免地会与碳纤维发生反应，纤维被浸蚀导致复合材料性能下降。（只能制得一维或二维的CfSiC复合材料，应用前景不大）,5、综合工艺,eg：CVI+PIP新型综合制备工艺 先通过CVI工艺沉积出高强度、高密度、均匀性好、结构致密的SiC基体，由于沉积会优先在纤维束内纤维间隙进行，

8、纤维束间仍有均匀的空隙可供先驱体聚合物液相反应继续填充；再经过浸渍一裂解后得到均匀性好、密度和力学性能高的CfSiC复合材料。 优点：周期缩短50%同时还继承CVI工艺和PIP工艺可制备任意复杂形状制品、易于工业化生产的优点，是一种具有工业化应用前景的方法。,1. Cf/SiC复合材料的界面,位置：碳纤维与SiC陶瓷基体结合处，作为纤维与基体间传递载荷的过渡区。 1.1 界面结合强度 强到足以传递轴向载荷并具有高的横向强度 弱到足以沿界面发生横向裂纹及裂纹偏转直到纤维的拔出,Cf/SiC复合材料的界面及强韧化机制,化学结合（互扩散结合）：,12 界面结合形式,物理结合： 主要是指范德华力和氢键

9、，还与纤维的比表面和粗糙度有关。 碳纤维与SiC基体间热膨胀系数不同而产生的残余热应力。 如何解决纤维与基体之间热膨胀系数不同？,Si原子向纤维内部的扩散 改善：在碳纤维表面制备氧化涂层（纤维表面涂覆氮化硼(BN)、富碳SiC、SiC、硼(B)等涂层）,B,调整SiC基体的热膨胀系数使其与碳纤维的热膨胀系数相近，可以通过调整SiC陶瓷基体晶型或控制其晶化程度和最终相组成而控制其热膨胀系数。,A,在界面处人为的引入中间过渡层，形成较好的热膨胀系数匹配，这样在样品在冷却过程中就不会形成较大的热内应力；,1.3 界面作用,应力缓释作用,阻止裂纹向碳纤维内部扩展，提升CfSiC复合材料的强度和韧性,2

10、. CfSiC复合材料的增韧机制,Cf/SiCC复合材料断裂时吸能机制,碳纤维,拔出,桥联,脱粘,断裂,SiC基体,裂纹弯曲,裂纹偏转,提高韧性,(1) 纤维增韧SiC陶瓷,增韧机理：主要是纤维的拉 伸和桥联作用。,（2）相变增韧SiC陶瓷 增韧机理：裂纹尖端的应力场引起的体积膨胀和断裂表面吸收能量、相变诱发的残 余压应力、防止裂纹的增长使他们转动和分叉、相变诱发微裂纹和晶粒细化等。,1、航空燃气涡轮发动机的应用 由于碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料高强度、良好的抗氧化能力和抗热震性，现在经常用它做高温结构材料。 主要是应用在涡轮发动机的消耗管道、涡轮泵旋转体、喷管等 2005年由中南大学黄伯云

11、院士等研制成功的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料飞机刹车片结束了国家技术发明一等奖连续六年空缺的历史。,四、应用,根据碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料耐热、耐高温、密度低的特点可以用来制造防热体系。,热结构材料的构件:航天飞机和导弹的鼻锥、导翼，机翼和盖板等,热保护系统的应用,01,02,高温连接件的应用 主要应用于连接固定热的外表面和航空框架结构中制冷的衬垫，及用作密封装置。已经被制成螺钉和其他连接件。,LOGO,光学和光机械结构中的应用 已经用于制造超轻反射镜、微波屏蔽反射镜等光学结构部件及光学系统中的结构材料及反射镜支撑体系，如反射镜底座。,此外碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料还用于高速飞行器和高速汽车、火车上的刹车系统。超高音速飞行器中，在原子能反应堆中可用做核燃料的包封材料，还可用作火箭尾喷管的喷嘴及飞机驾驶员防弹用品等领域。,6.展望,现有的制备工艺成本高、生产周期长，需要发展更好制备工艺来降低生产成本，因此，如何开发出新工艺方法或优化现有工艺方法以缩短制备周期，降低生产成本是CfSiC复合材料制备过程中研究的重点； 目前，碳纤维预制体的编织技术落后成为制约CfSiC复合材料发展的一大难点，今后应重视发展碳纤维预制体的理论设计，优化CfSiC复合材料制备工艺；