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【6h】

CFRP界面强度对C/C-SiC复合材料微结构和性能的影响

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摘要

绪论

1.1 C/C-SiC复合材料

1.1.1 纤维

1.1.2 基体

1.1.3 界面

1.2 C/C-SiC复合材料制备工艺

1.2.1 化学气相渗透法(CVI)

1.2.2 聚合物浸渍裂解法(PIP)

1.2.3 浆料浸渍热压法(SIHP)

1.2.4 液相硅熔渗法(LSI)

1.3 增韧机理

1.4 微结构表征仪器

1.4.1 X射线光电子能谱分析

1.4.2 光学显微镜

1.4.3 扫描电子显微镜

1.5 国内外研究现状及发展动态

1.6 C/C-SiC复合材料的应用

1.6.1 在航空发动机领域的应用

1.6.2 在热防护系统中的应用

1.6.3 在空间探测领域的应用

1.6.4 在刹车系统中的应用

1.7 本文研究的主要内容及意义

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.2 试验方法

2.2.1 碳纤维热处理

2.3 本章小结

3 CFRP的制备与表征

3.1 CFRP的制备

3.2 CFRP的表征

3.2.1 层间剪切强度

3.2.2 微结构

3.2.3 微观力学性能测试

3.3 本章小结

4 C/C预制体的制备、表征

4.1 C/C预制体的制备

4.2 C/C预制体的表征

4.2.1 热失重分析

4.2.2 C/C预制体微观形貌

4.3 本章小结

5 LSI反应熔渗动力学模拟计算

5.1 反应熔渗原理

5.2 修正的washburn equation

5.2.1 washburn equation

5.2.2 熔融Si自身重力对渗入高度的影响

5.2.3 SiC层厚度δt对渗入高度的影响

5.2.4 润湿角θt对渗入高度的影响

5.2.5 熔渗温度T对熔渗高度h的影响

5.3 熔融Si渗透模型

5.4 本章小结

6 C/C-SiC复合材料的制备、表征

6.1 C/C-SiC复合材料的制备

6.2 C/C-SiC复合材料的表征

6.2.1 C/C-SiC复合材料微观结构与组织

6.2.2 C/C-SiC复合材料弯曲强度

6.2.3 C/C-SiC复合材料断口形貌

6.2.4 C/C-SiC复合材料抗氧化性能

6.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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摘要

C/C-SiC复合材料具有优异的高温热化学稳定性和苛刻环境极强的适应性等特点,使得其在航天飞行器的热防护系统、航空发动机以及火箭发动机的高温热结构部件上拥有巨大的应用潜力。由于该类材料的性能在很大程度上依赖于其微结构特征和基体中陶瓷含量,而研究发现制备过程中CFRP素胚体的界面性能对C/C-SiC的微结构和性能有显著影响。因此,本文研究了CFRP素坯体中纤维/基体界面强度对C/C-SiC复合材料微结构和性能的影响。制备工艺采用树脂裂解与硅熔渗原位反应法。主要研究内容归纳如下:
  (1)采用热处理改变纤维表面结构状态,从而调整CFRP中纤维/基体界面强度;分析了不同热处理温度下纤维热失重、纤维表面官能团以及纤维力学性能变化情况,并采用宏观力学(短梁剪切测试:Short-Beam Shear Test)和微观力学测试(单纤维压出实验:Single Fiber Push-out Test)方法对CFRP界面性能进行了表征分析;研究表明两种测试方法获得界面强度虽然不同,但均能有效表征纤维/基体界面强度,测量差异主要是由于加载方式和失效方式不同引起;高温热处理(1500℃)对纤维力学性能没有明显的影响,但能够有效改变CFRP中纤维/基体界面结合强度。
  (2)试验研究了具有不同界面强度的CFRP在高温裂解后形成C/C预制体的微观形貌和微结构特征;通过比较分析发现,CFRP界面强度对C/C预制体中微孔/微裂纹产生有着显著的影响,不同的C/C预制体微结构在液硅熔渗反应后将会形成不同微结构特征和不同陶瓷含量的C/C-SiC复合材料。
  (3)在washburn模型的基础上,建立了适合熔融Si渗入多孔 C/C预制体反应熔渗动力学的数学模型,并综合考虑熔渗温度对熔融Si性能:密度、扩散系数、粘度、表面张力的影响,进而导出熔渗温度、时间对熔渗高度、反应速率、毛细孔半径、SiC层厚度的影响,这部分研究结果为熔熔渗反应过程的工艺参数优化与调控提供了一定的理论依据。
  (4)利用不同界面强度CFRP获得的C/C预制体,采用液硅熔渗反应法制备了不同的C/C-SiC复合材料。通过对微观形貌、相组成、弯曲力学性能和抗氧化性能的测试与分析,表明采用低界面强度的CFRP素坯体制备的C/C-SiC复合材料的力学性能较低,但能增加基体中SiC相含量并改善其分布的均匀性,同时材料的抗氧化性能得到显著提高。

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