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碳纤维增韧碳化硅基复合材料热解炭界面层工艺优化研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 复合材料的研究背景

1.2 陶瓷及陶瓷基复合材料的优势与特点

1.3 碳纤维增韧碳化硅基复合材料的概况

1.4 复合材料的核心问题:界面

1.5 热解炭作为碳纤维增韧碳化硅复合材料的界面

1.6 课题意义与主要研究的内容

第二章 实验与研究方法

2.1 实验原料及试剂

2.2 课题实验思路

2.3 PyC界面层的制备

2.4 “迷你”复合材料的制备

2.5 分析表征方法

2.5.1 SEM分析观察样品微观结构

2.5.2 拉曼光谱分析

2.5.3 力学性能测试

第三章 实验结果与讨论

3.1 T300增韧SiC复合材料PyC界面层的工艺优化研究

3.1.1 T300表面PyC界面层微观结构表征

3.1.2 含有PyC的T300增韧SiC复合材料拉曼光谱表征

3.1.3 含有PyC的T300增韧SiC复合材料力学性能表征

3.1.4 小结

3.2 H40J增韧SiC复合材料PyC界面层的工艺优化研究

3.2.1 U40J表面PyC界面层微观结构表征

3.2.2 含有PyC的M40J增韧SiC复合材料拉曼光谱表征

3.2.3 含有PyC的M40J增韧SiC复合材料力学性能表征

3.2.4 小结

第四章 结论

参考文献

致谢

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摘要

先进陶瓷材料因其高强度,耐高温,耐化学腐蚀,比重轻等优点越来越被人们所重视,但是其脆性问题限制了这类材料在诸多高端领域的应用。为了解决陶瓷材料脆性较大这一缺点,采用碳纤维作为增强体制成陶瓷基体复合材料可以最大程度地结合碳纤维和碳化硅各自的优势,碳纤维在其中发挥高强度,高模量,高稳定性的作用,使得这类复合材料在军事领域、航天飞行器领域发挥更大作用的潜力。前驱体浸渍裂解法目前是制备Cf/SiC复合材料的主流工艺之一,它因为工艺过程简短,对设备要求较低,可制备厚壁以及形状复杂、精密制件等特点备受材料工作者的喜爱,但是因为工艺过程中不可避免的对碳纤维造成物理和化学的损伤,使得碳纤维在复合材料中很难发挥出其高强特点,从而制约了复合材料整体性能。界面问题是该类复合材料制备过程中的核心问题之一。
   本课题选用国产T300碳纤维与进口M40J碳纤维作为增强纤维,在碳纤维表面通过化学气相沉积技术沉积不同厚度的热解炭,并且将沉积后的碳纤维一部分进行高温热处理,得到具有不同界面状态的碳纤维,再利用前驱体浸渍裂解工艺在较短工艺周期内制备成“迷你”复合材料,通过SEM、拉曼光谱技术、复合材料力学拉伸强度测试考察不同界面层状态对碳纤维增韧碳化硅基复合材料增韧效果的影响,得到了在特定实验条件下,制备碳纤维增韧碳化硅基复合材料热解碳界面层的最优工艺参数,并且讨论了热解炭界面层与“迷你”复合材料力学性能的关联性。
   通过SEM电镜可以清晰明显的观察到沉积在碳纤维表面的PyC界面层,使用有PyC界面层的碳纤维增韧碳化硅“迷你”复合材料在其表面以及截面照片中可以看出明显的裂纹偏转、界面层剥落以及广泛的纤维拔出现象,说明了界面层对碳纤维与碳化硅的复合进行了改善。拉曼光谱的测试证明了在碳纤维表面沉积的PyC与碳纤维形成了统一的整体,并且改变了碳纤维表面碳的微观结构。力学测试表明:对于国产T300碳纤维而言,“迷你”复合材料的拉伸强度随热解炭厚度的增加其值有先增加后减小的趋势(PyC的厚度在0-150nm的范围内),当界面层厚度约为60nm时达到最大值(1385.7 MPa);对于进口M40J碳纤维而言,“迷你”复合材料的拉伸强度随热解碳厚度的增加其值有增加的趋势(PyC的厚度在0-130nm的范围内),并且经历2000℃高温处理后“迷你”复合材料力学性能在100nm的PyC界面层下达到最大值(1736.6MPa)。

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