【摘 要】
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Cf/C-SiC复合材料是以C和SiC为基体,碳纤维为增强体的复合材料,不仅保留C/C复合材料的低密度和良好力学性能,又结合了SiC陶瓷良好的热/化学稳定性,在航空航天领域以及其他工业领域有着广阔的应用前景。目前,研究者们多采用RMI法或PIP法向C/C复合材料中引入SiC的方式制备Cf/C-SiC复合材料,但此种制备工艺繁琐、周期长,大大限制了其工程化应用。本文借鉴先驱体转化法和碳/碳复合材料制
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Cf/C-SiC复合材料是以C和SiC为基体,碳纤维为增强体的复合材料,不仅保留C/C复合材料的低密度和良好力学性能,又结合了SiC陶瓷良好的热/化学稳定性,在航空航天领域以及其他工业领域有着广阔的应用前景。目前,研究者们多采用RMI法或PIP法向C/C复合材料中引入SiC的方式制备Cf/C-SiC复合材料,但此种制备工艺繁琐、周期长,大大限制了其工程化应用。本文借鉴先驱体转化法和碳/碳复合材料制备工艺,开发了一种煤沥青-聚硅乙炔(polysilyacelene,PSA)二元粘结剂,将碳源、碳化硅陶瓷有机先驱体和半陶瓷化碳化硅填料有机结合在一起;然后采用浆料浸渍-热压烧结技术成功制备了连续纤维增强的Cf/C-SiC复合材料。利用此种转化,可将SiC相均匀引入C/C复合材料,以此制备的Cf/C-SiC复合材料展现了良好的力学特性。为此,本文开展了以下研究工作:首先,通过熔融共混的方式将PSA树脂与煤沥青复合,制备一种新型二元粘结剂。试验结果和理论计算表明二元粘结剂的热解过程并非二者的简单叠加,而是在熔融混合的过程中发生了某种交联反应,呈现出协同增强的效果。其次,为了增强各组分之间的相容性,提高陶瓷产率,通过先驱体半裂解产物/先驱体共混体系再裂解技术,将PSA半裂解产物(非晶SiC)、新型二元粘结剂和石油焦混合,以T300型碳纤维作为增强体,利用先驱体转化法和浆料浸渍-模压成型和热压烧结技术(1400℃ 10 Mpa),成功制备了Cf/C-SiC复合材料。系统研究了模压成型温度、二元粘结剂含量和SiC含量对Cf/C-SiC复合材料的密度、力学性能和微观结构的影响规律,并对其机理进行了探索。研究结论如下:(1)模压成型温度在300℃的条件下所制备的Cf/C-SiC复合材料的性能最优,密度为1.46g/cm3,弯曲强度达到223±36MPa。300℃的模压成型温度能够使新型二元粘结剂粘度和流动性达到最佳,适当加压可以充分流动致密化于纤维和基体之间,改善材料的力学性能。(2)实验中,新型二元粘结剂含量对材料的弯曲性能有着显著的影响,不仅直接影响复合材料中纤维和基体的界面结合强度,还决定了复合材料烧结过程中的失重率。粘结剂含量越高,纤维与基体的界面结合越强。粘结剂含量过少或过多,都易造成孔隙、微裂纹等特征,降低复合材料的完整性,使得力学性能下降。当粘结剂含量占比60%时,复合材料的力学性能达到最优,密度为1.53g/cm3,抗弯强度为339±21 MPa,弹性模量达到57.1 GPa。复合材料的断口形貌和应力-应变曲线表明,复合材料整体呈现非脆性断裂模式,有纤维拔出和纤维脱粘等现象产生。(3)Cf/C-SiC复合材料的弯曲强度也与材料中SiC陶瓷组分的含量有关,填料的添加不仅有助于填充粘结剂热解留下的不规则孔洞和微裂纹,提高了复合材料的致密度,而且在一定程度上提高了复合材料的陶瓷含量。SiC质量分数为10 wt%的条件下制备出的材料的力学性能最佳,弯曲强度达到339±21MPa,密度为1.53 g/cm3。随着SiC陶瓷组分的增大,使得纤维与基体间的界面结合过高,材料逐渐呈现脆性断裂模式。且当较大尺寸的颗粒发生团聚时,容易引起应力集中,导致试样的弯曲强度下降。
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