热解温度对SiC_f/SiC复合材料微观结构与性能的影响

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连续碳化硅纤维增强碳化硅基复合材料(SiCf/SiC)是良好的航空发动机部件及核聚变反应堆候选材料。然而,由于第一代SiC纤维含氧量高、耐温能力差,限制了先驱体浸渍热解(PIP)法的制备温度。传统制备SiC基体的先驱体浸渍效率低、热解产率低,导致PIP法制备时间较长。因此,PIP-SiCf/SiC复合材料存在孔隙率较高和基体结晶度较低等缺点。为了提高SiC基体的结晶性,降低PIP法的制备时间,本文提出使用KD-II型SiC纤维的三维四向预制件作为增强体、新型含乙烯基低分子量聚碳硅烷(LPVCS)液态先驱体的热解产物作为基体,通过提高PIP法的热解温度获得性能满足航空航天和核聚变反应堆应用要求的SiCf/SiC复合材料。为提高PIP法的热解温度,本论文选用耐温能力好、含氧量低的KD-II型SiC纤维制备SiCf/SiC复合材料,研究了高温处理和氧化处理对SiC纤维微观结构与性能的影响。结果表明:由于SiC纤维中的β-SiC晶粒随着高温处理温度的升高而增大、结晶化程度提高,SiC纤维的单丝拉伸强度随着高温处理温度的升高而降低。由于SiC纤维的制备温度为1350°C,在1400°C之前,SiC纤维表现出较好的抗氧化能力,几乎无Si O2相生成;高于1400°C氧化处理的SiC纤维的力学性能大幅降低。延长氧化处理保温时间处理对SiC纤维的组分、结晶性和力学性能影响不大。为降低PIP法的制备时间、提高PIP法的热解温度,本论文选用新型LPVCS液态先驱体的热解产物作为基体,研究了LPVCS液态先驱体的交联-热解行为和热解温度对SiC基体微观结构与性能的影响。结果表明:综合考虑LPVCS液态先驱体的粘度、四甲基四乙烯基环四硅氧烷(V4)中氧元素脱碳反应的进行程度和基体中β-SiC的结晶度,在V4与低分子量聚碳硅烷(LPCS)质量配比为1.0、交联温度为300°C时,LPVCS液态先驱体的交联产率最高。由于SiC基体的结晶度较差、基体中含有大量的Si-C-O相,SiC基体的抗氧化能力不如SiC纤维。随着热解温度的升高,SiC结晶性提高、晶粒尺寸增大,SiC基体的密度和开孔隙率增大,导致SiC基体导热性能提高。为获得性能满足应用要求的SiCf/SiC复合材料,本论文研究了热解温度对PIP-SiCf/SiC复合材料力学性能、导热性能和抗辐照性能的影响。结果表明:在较低的热解温度下SiC纤维和SiC基体的结晶性较差,较高的热解温度又会造成SiC纤维的损伤,对SiCf/SiC复合材料的力学性能产生不利影响。无界面层SiCf/SiC复合材料呈脆性断裂模式,有热解碳(Py C)界面层SiCf/SiC复合材料呈伪塑性断裂模式。在1300°C热解制备的有Py C界面层SiCf/SiC复合材料的界面剪切强度适中,因此1300°C热解制备的有Py C界面层SiCf/SiC复合材料的力学性能最佳,其弯曲强度和断裂韧性分别为535.6 MPa和17.3 MPa·m1/2。受SiC纤维和SiC基体结晶度的影响,SiCf/SiC复合材料的热导率随着热解温度的升高呈升高趋势,热扩散系数随着测试温度的升高而降低,在1600°C热解制备的有Py C界面层SiCf/SiC复合材料的热导率最高,为6.17 W·m-1·K-1。Si离子辐照对SiCf/SiC复合材料的纤维/基体界面造成了一定程度的离位损伤,破坏了SiCf/SiC复合材料的连续性。Si离子辐照后,Py C界面在与纤维和基体的结合处产生了微裂纹,SiC的结晶性变差,晶粒尺寸变小,有序C相转变为无定形非晶结构,这是导致SiCf/SiC复合材料界面剪切强度下降的主要原因。
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