碳纤维增强SiC复合材料激光选区烧结成形与性能研究

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Cf/SiC复合材料具有低密度、高强度、热稳定性好、耐磨损等优异性能,因此广泛用于制造大尺寸太空望远镜镜坯、汽车刹车片等航空航天、汽车领域关键零部件,其往往具有复杂异形结构。但传统制造方法如无压/热压烧结和模压成型等很难成形具有复杂结构的制件,且其成形件存在大量热解碳、残余硅,碳化硅含量低等缺陷。激光选区烧结(Selective laser sintering,SLS)技术是一种粉床激光的增材制造技术,采用逐层烧结粉末并叠加原理,可成形复杂结构零件。为此,本文提出以硅粉、碳纤维和酚醛树脂为原始材料,采用包覆法制备不同组分(Si=0,5,15,30 vol.%)的复合粉末,利用SLS技术成形出PF/Cf-Si初坯。系统研究了Si含量对PF/Cf-Si初坯和C/Cf-Si预制体孔隙率、孔径和体积密度的影响,进而影响渗硅反应过程,最终对试样相组成、微观组织、机械性能、热性能和摩擦磨损性能的影响,具体的研究内容及结果如下:(1)制备得到混合均匀的复合粉末,经SLS成形后PF/Cf-Si初坯孔径得到优化,经SEM图可明显看出硅均匀分散在材料中。液相渗硅(liquid silicon infiltration,LSI)后得到的Cf/SiC复合材料由β-SiC和Si两相组成,且随着原材料硅加入的增多,试样微观组织中Si的相对含量先减小后增加。在加入5vol.%Si时,其组织最均匀,有最低的残硅量,热解碳消失,其SiC含量最高为71.3 vol.%。这主要得益于原材料中加入的硅一方面可提供硅源,调控初坯和预制体孔隙结构;另一方面其反应生成SiC后,总体积变小,为后续硅反应提供“通道”进一步均匀组织。(2)经研究表明:材料的最大抗弯强度、最高断裂韧性值和最大体积密度分别为237±9.6 MPa、3.56±0.24 MPa·m1/2和为2.89±0.01 g/cm3,且这都表现在碳化硅含量最多的加入5 vol.%Si的试样组。与原材料中未添加Si颗粒相比,分别提高了24.1%、9.5%和2.48%。此外材料的高温热稳定性、热膨胀系数和热导率性能均表现良好。(3)研究了添加不同含量的硅对Cf/SiC复合材料性能影响。结果表明:相同载荷(30N)条件下摩擦系数在0.540.59之间。添加5 vol.%Si时,其磨损宽度、深度和磨损率分别为约0.95 mm、32.3μm和5.24×10-7 cm3N-1m-1,其综合表现的耐磨性最好。这主要是因为组织最均匀,SiC含量最多、残余硅含量低、纤维保存完整和无热解碳,因此摩擦过程中硬度较大的SiC区域发生“犁削”,硬度更低的Si区域主要表现脆性断裂而脱落,表现为磨粒磨损和粘结磨损。(4)基于优化的5 vol.%硅含量,研究了载荷对Cf/SiC复合材料摩擦磨损性能的影响规律。结果表明:在不同载荷(10 N、30 N、50 N和70 N)条件下的摩擦系数在0.550.60之间,在30N时材料综合表现的耐磨性最好。此外,当载荷较小(10 N)时,其磨损机制主要为磨粒磨损;载荷为30 N时,开始出现“犁削”,主要表现为磨粒磨损和粘结磨损;随着载荷继续增大到70 N时,出现凹坑和微裂纹,主要磨损机制为脆性剥落,同时存在磨粒磨损和氧化磨损。本论文有效解决了传统工艺制备所存在的组织不均匀,机械性能较差,复杂结构难成形,热性能和磨损性能低等难题,为复杂Cf/SiC复合材料制备与成形提供了一定的理论与技术基础。
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