碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)碳纖維增強陶瓷基復合材料摘要：碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料具有密度低、高強度、高韌性和耐高溫等綜合性能已得到世界各國高度重視，本文將對有關(guān)碳纖維增強碳化硅陶瓷的有關(guān)信息簡單介紹。關(guān)鍵詞：陶瓷基復合材料，碳纖維增強。1.引言 碳化硅陶瓷因具有高強度、高硬度、抗腐蝕、耐高溫和低密度而被廣泛用于高溫和某些苛刻的環(huán)境中,尤其在航空航天飛行器需要承受極高溫度的特殊部位具有很大的潛力。但是,陶瓷不具備像金屬那樣的塑性變形能力,在斷裂過程中除了產(chǎn)生新的斷裂表面吸收表面能以外,幾乎沒

2、有其它吸收能量的機制,這就嚴重限制了其作為結(jié)構(gòu)材料的應用。碳纖維具有比強度高、比模量大、高溫力學性能和熱性能良好等優(yōu)點,在惰性氣氛中2000時仍能保持強度基本不下降。用碳纖維增強碳化硅復合材料,材料在斷裂的過程中通過纖維拔出、纖維橋聯(lián)、裂紋偏轉(zhuǎn)等增韌機制來消耗能量,使材料表現(xiàn)為非脆性斷裂。Cf/SiC復合材料綜合了碳纖維優(yōu)異的高溫性能和碳化硅基體高抗氧化性能,受到了世界各國的高度關(guān)注,并廣泛應用在航空、航天、光學系統(tǒng)、交通工具等領(lǐng)域。2. 碳纖維材料簡介 2.1碳纖維簡介碳纖維是有機纖維或瀝青基材料經(jīng)談話和石墨處理后形成的含碳量在85%以上的碳素纖維，是20世紀50年代為滿足航空航天等尖端領(lǐng)域

3、的需要而發(fā)展起來的一種特種纖維。目前，碳纖維的生產(chǎn)原料分為三大體系：聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、黏膠基碳纖維。其中聚丙烯腈基碳纖維由于原料資源豐富，含碳量高及碳化率高，成本低，正在被重視。碳纖維是一種力學性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的79倍，抗拉彈性模量為2300043000Mpa亦高于鋼。因此CFRP的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。材料的比強度愈高，則構(gòu)件自重愈小，比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大，從這個意義上

4、已預示了碳纖維在工程的廣闊應用前景，綜觀多種新興的復合材料(如高分子復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料)的優(yōu)異性能，不少人預料，人類在材料應用上正從鋼鐵時代進入到一個復合材料廣泛應用的時代。 2.2增強相碳纖維的研究雖然我國研制碳纖維已有30余年的歷史,但僅初步建立起工業(yè)雛形,生產(chǎn)的碳纖維質(zhì)量至今仍處于低水平,關(guān)鍵原因是碳纖維原絲質(zhì)量沒有過關(guān)。碳纖維的性能在很大程度上取決于原絲的質(zhì)量。原絲缺陷如表面橫向裂紋、橫向褶皺、軸向裂紋、皮芯結(jié)構(gòu)、表面沉積物、并絲等都會“遺傳”給碳纖維,使力學性能下降。因此,要想生產(chǎn)出質(zhì)量高且性能穩(wěn)定的碳纖維,今后必須加強對高性能碳纖維原絲的研究。碳纖維與基體間存

5、在一系列界面問題:如界面潤濕性差,化學、物理相容性差等,極大地影響著復合材料的力學性能,且碳纖維未經(jīng)表面處理前,其活性比表面積小(一般小于1 m /g) ,表面能低,表面呈現(xiàn)出憎液性,限制了碳纖維高性能的發(fā)揮，為了提高碳纖維的表面化學活性,增強碳纖維表面與基體的結(jié)合能力,進而提高復合材料的性能,對碳纖維進行表面處理是很有必要的。目前,碳纖維表面改性處理主要有表面氧化處理、表面涂層處理、表面生長晶須等方法。在研究的諸多碳纖維表面處理方法中,空氣氧化法簡單,耗時少,但操作彈性小,氧化反應不易控制;液相氧化法主要是采用硝酸、酸性重鉻酸鉀、次氯酸鈉等強氧化性液體,對碳纖維表面進行處理,處理比較溫和,不

6、過耗時較長;電化學氧化法簡單易操作,處理條件溫和并易于控制,處理效果明顯。表面涂層處理是對碳纖維表面沉積一層無定形碳來提高其界面粘結(jié)性能,多采用氣相沉積技術(shù),操作較復雜,周期長1。王毅強等2為了改善纖維與基體界面的結(jié)合狀態(tài),研究了表面處理對C /SiC單向復合材料力學性能的影響。結(jié)果表明,經(jīng)過1800 處理后的纖維表面粗糙度變大,表面溝槽加深,復合材料的拉伸強度是未經(jīng)表面處理纖維復合材料拉伸強度的2. 4倍;纖維表面沉積熱解炭后表面粗糙度減弱,其拉伸強度是未經(jīng)表面處理纖維復合材料的3. 1倍;兩者聯(lián)合作用時纖維表面光滑,拉伸強度最高,達708 MPa。徐先鋒等3對去膠聚丙烯腈炭纖維分別進行不同

7、時間的硝酸液相氧化處理,發(fā)現(xiàn)氧化處理會使纖維表面產(chǎn)生大量的孔洞,增加BET比表面積和BJH累積孔體積,提高表面吸附能力;在氧化初期,伴隨著纖維表面大量活化點的迅速氧化,纖維表面微孔、中孔數(shù)量、表面粗糙度、比表面積和累積孔體積迅速增加,使纖維表面吸附能力大大增強, 但在氧化5 min以后,由于纖維表面尖銳突起處發(fā)生氧化,從而減少了纖維表面微孔,比表面積和累積孔體積降低,表面吸附能力減弱。單一的表面處理常常在提高某方面性能的同時,犧牲了另一方面的性能,而復合表面處理法則可適當調(diào)和所采用的幾種表面處理方法的優(yōu)缺點,必將成為今后碳纖維表面處理的主要研究方向。3. Cf /SiC復合材料制備技術(shù)纖維增韌

8、陶瓷基復合材料的性能取決于各組分的性能、比例以及纖維結(jié)構(gòu)。復合材料的顯微結(jié)構(gòu)在很大程度上取決于復合材料的制備工藝。目前, Cf /SiC復合材料的主要制備方法有:熱壓燒結(jié)法、先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法、化學氣相滲透法、反應熔體浸滲法和一些改進的綜合工藝。 3.1熱壓燒結(jié)法熱壓燒結(jié)法(hot p ressure sintering, HP)又稱為料漿浸漬熱壓法。其主要工藝如下:讓纖維通過一個含有超細基體陶瓷粉末的料漿容器使之浸漬,然后將浸掛料漿的纖維纏繞在卷筒上,烘干、切斷,得到纖維無緯布,將無緯布按所需規(guī)格剪裁,層疊在一起,最后熱模壓成型和熱壓燒結(jié)后制得復合材料4。熱壓燒結(jié)的目的是使陶瓷粉末在高溫壓力作用下

9、發(fā)生重排,通過燒結(jié)或玻璃相粘滯流動填充于纖維之間的孔隙中,達到致密化。 3.2先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法又稱聚合物浸漬裂解法(p recursor infiltration pyrolysis, P IP)是近年來發(fā)展的新工藝和新技術(shù)。它是將含Si的有機聚合物先驅(qū)體(如聚碳硅烷、聚甲基硅烷等)溶液或熔融體浸漬到碳纖維預制體中,干燥固化后在惰性氣體保護下高溫裂解,得到SiC基體。先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法的優(yōu)點是可制備形狀比較復雜的異型構(gòu)件;裂解時溫度較低,材料制備過程中對纖維造成的熱損傷和機械損傷比較小。但在裂解的過程中有大量的小分子溢出,導致孔隙率很高,難以獲得致密的陶瓷基復合材料;且從有機先驅(qū)體轉(zhuǎn)化為無機

10、陶瓷過程中材料體積收縮大,收縮產(chǎn)生的微裂紋與內(nèi)應力均使材料性能降低。另外,為了獲得致密度較高的復合材料,必須經(jīng)過多次浸滲和高溫處理,制備周期長5。3.3化學氣相滲透法化學氣相滲透法( chemical vapor infiltration, CV I)始于20世紀60年代,是在化學氣相沉積(CVD)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種制備新技術(shù)。兩者的區(qū)別在于CVD主要從外表面開始沉積,而CV I則是通過孔隙滲入到預制體內(nèi)部沉積。對于Cf /SiC復合材料的CV I制備工藝通常以三氯甲基硅烷(MTS) 、四甲基硅烷( TMS)等為原料, H2 為載氣,Ar為稀釋氣體,高溫下抽真空沉積SiC基體6。徐永東等7

11、采用以MTS為原料, H2為載氣,控制H2 和MTS物質(zhì)的量比101,沉積溫度為1100 的CV I工藝成功制備出了密度為2. 1 g/ cm3的Cf /SiC復合材料, Cf /SiC不僅具有較高的強度,而且表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性和類似金屬的斷裂特征。3.4反應熔體浸滲法反應熔體浸滲法( reactive melt infiltration, RM I)起源于多孔體的封填和金屬基復合材料的制造。采用RM I法制備Cf /SiC復合材料主要過程是在高溫下真空環(huán)境中用熔融的Si對多孔C /C復合材料進行浸滲處理,使液態(tài)Si在毛細作用下滲入C /C多孔體中,并與C組分發(fā)生反應生成SiC基體。20世紀80

12、年代,德國科學家Firzer首先用液硅浸滲C /C多孔體制備了C /C-SiC復合材料8 ,隨后德國航空中心進一步發(fā)展了該工藝。4.Cf /SiC復合材料的應用.碳纖維增強陶瓷基復合材料因其優(yōu)異的性能,作為高溫熱結(jié)構(gòu)和制動材料被廣泛應用于各個領(lǐng)域。Cf /SiC復合材料是隨航空航天技術(shù)的發(fā)展而崛起的一種新型超高溫結(jié)構(gòu)材料。在高推重比航空發(fā)動機內(nèi)主要用于噴管和燃燒室,可將工作溫度提高300 500 ,推力提高30% 100% ,結(jié)構(gòu)減重50% 70% ,是發(fā)展高推重比(1215, 1520)航空發(fā)動機的關(guān)鍵熱結(jié)構(gòu)材料之一。在高比沖液體火箭發(fā)動機內(nèi)主要用于推力室和噴管,可顯著減重,提高推力室壓力和

13、壽命,同時減少冷卻劑量,實現(xiàn)軌道動能攔截系統(tǒng)的小型化和輕量化。在推力可控固體火箭發(fā)動機內(nèi)主要用于氣流通道的喉栓和喉閥,可以解決新一代推力可控固體軌控發(fā)動機喉道零燒蝕的難題,提高動能攔截系統(tǒng)的變軌能力和機動性。在高超聲速飛行器上主要用于大面積熱防護系統(tǒng),比金屬TPS減重50% ,可減少發(fā)射準備程序,減少維護,提高使用壽命和降低成本9,10。在國外,法國已將用CV I制備的Cf /SiC復合材料用于其狂風戰(zhàn)斗機M88發(fā)動機的噴嘴瓣。目前,歐洲正集中研究載人飛船及可重復使用的飛行器的可簡單裝配的熱結(jié)構(gòu)及熱保護材料,其中Cf /SiC復合材料是一種重要材料體系,并已達到很高的生產(chǎn)水平。在美國,用Cf

14、/SiC復合材料制備的TPS可用于航天操作工具和航天演習工具,Allied Signal復合材料公司生產(chǎn)的Cf /SiC復合材料在高溫環(huán)境測試中顯示出優(yōu)異的性能。波音公司通過測試熱保護系統(tǒng)大平板隔熱裝置,也證實了Cf /SiC復合材料具有優(yōu)異的熱機械疲勞特性 31 。在國內(nèi),跨大氣層空天飛行器高溫防熱系統(tǒng)的Cf /SiC頭錐帽和機翼前緣已經(jīng)裝機試飛成功,標志著我國在高溫大面積防熱領(lǐng)域取得了重大突破。我國亞燃沖壓發(fā)動機的噴管喉襯和燃氣發(fā)器已通過試車考核進入應用階段,整體燃燒室處于研制階段。Cf /SiC復合材料是繼粉末冶金和C /C復合材料之后發(fā)展起來的一種高性能制動材料。粉末冶金制動材料由于在

15、高溫時會發(fā)生粘結(jié)已不能滿足先進制動材料的要求; C /C復合材料易氧化,靜態(tài)和濕態(tài)摩擦系數(shù)低,從而導致在潮濕環(huán)境下制動失效。Cf /SiC制動材料具有成本低、環(huán)境適應性強、而且在吸收相同熱庫的條件下可顯著減小剎車系統(tǒng)的體積等優(yōu)勢,引起了研究者的廣泛關(guān)注。德國斯圖加特大學和德國航天研究所等單位的研究人員開始進行C /C-SiC復合材料應用于摩擦領(lǐng)域的研究,并研制出C /C-SiC剎車片應用于Porsche (保時捷)轎車中。法國TGV NG高速列車和日本新干線已試用C /C-SiC閘瓦。國內(nèi)肖鵬等11采用溫壓2原位反應法制備的C /C-SiC復合材料在中等能載(1. 5 kJ /cm )條件下摩

16、擦系數(shù)較高,磨損量較低,具有優(yōu)良的摩擦磨損性能。李彬等12用單向加壓浸漬、加壓固化和碳化1個周期(僅3040 h)制備了密度為1. 2g/cm 的C /C復合材料,進而采用RM I法滲硅制備了3D針刺C /SiC剎車材料,成本低,制備周期短,具有優(yōu)異高速抗磨性能。此外中南大學研制的C /C-SiC制動材料正準備應用于某型號直升機旋翼用剎車片和機輪剎車盤、某型號坦克用剎車盤和閘片、高速列車剎車閘片和高級轎車剎車片。參考文獻：1 陳廣立,耿浩然,陳俊華等.不同處理方法對碳纖維表面形態(tài)及Cf/C復合材料強度的影響J.材料工程,2006，增刊 1:160-164.2 王毅強,張立同,成來飛等.纖維表面

17、處理對單向C/SiC復合材料拉伸強度的影響J.固體火箭技術(shù),2007,30（6）:534-540.3 徐先鋒,肖 鵬,許 林登.液相氧化處理對炭纖維表面結(jié)構(gòu)的液相J.中南大學學報（自然科學版),2008.39(3):512-516.4 郝元愷,肖加余,高性能復合材料學M.北京:化學工業(yè)出版社,2004: 249-251.5 馬青松,陳朝輝,鄭文偉等.先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料的研究J材料科學與工程,2001.19(4):110-115.6 Tai Y H,Chen C E Nanofiber fomation in the fabrication of carbon/silic

18、on carbide ceramic matrix nanocomposites by slurry impregnation and pulse chemical vaper infiltrationJ.J.Am.Cerom.Soc.2001.84:1684-1688.7 徐永東,成來飛,張立同等.連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復合材料研究J.硅酸鹽學報.2002.30.(2):184-188.8 Hilling W B.Making ceramic composites by melt infiltrationJ.American Ceromic Society Bulletin.1994.73(4):56-62.9 夏 傲,苗鴻雁.牙科用Y-TZP/云母微晶玻璃復合材料的研制J.中國陶瓷.2005.41(5):17-20.10 Goller G.Akin I,Kahraman A A,Demirkes