高强/高模碳纤维增强C/SiC复合材料制备及其性能研究

来源 :国防科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:haizhi19841029
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伴随着航空航天领域的发展,部分构件(如卫星上的部分支架和光测支撑结构等)对C/SiC的强度和模量提出了更高的需求,并且目前C/SiC复合材料应用于高超声速飞行器大面积热防护材料防热、承载一体化目标的实现也对高强度C/SiC复合材料提出了迫切的需求。目前国内C/SiC复合材料多采用日本东丽T300纤维增强,优化后的性能依然无法满足需要。因此,本文采用高强度和高模量碳纤维作为增强体,利用先驱体浸渍裂解(PIP)工艺,研究了碳纤维高温处理、界面改性对碳纤维微观结构和C/SiC复合材料结构、性能的影响,对不同纤维的强韧化机制进行了探讨。针对现有C/SiC复合材料性能的不足,研究了高强度及高模量碳纤维对C/SiC复合材料性能的影响。采用先驱体浸渍-裂解工艺(PIP),以T300和T800(湿法纺丝)、T700和T1000(干法纺丝)以及M40和M55(湿法纺丝+牵引石墨化)六种纤维为增强体,制备了mini C/SiC复合材料。并在此基础上,采用碳纤维高温热处理、化学气相沉积裂解碳涂层(CVD-PyC)以及碳纤维预氧化工艺,研究了不同界面改性方式对复合材料力学性能和微观结构的影响。研究了不同纤维类型的表面结构和力学性能对mini C/SiC复合材料力学性能和微观结构的影响。不同纺丝工艺制备的纤维,其表面结构不同。湿法纺丝的T300、T800、M40和M55纤维表面粗糙,具有明显的沟槽;干法纺丝的T700和T1000表面光滑。结果表明:T300/SiC的拉伸和强度分别仅为40MPa和50MPa,T800/SiC的拉伸和弯曲强度分别为150MPa和287MPa;T700/SiC的拉伸和弯曲强度分别为190MPa和391MPa,T1000/SiC的拉伸和弯曲强度分别为342MPa和434MPa;M40/SiC的拉伸和弯曲强度分别为422MPa和570MPa,M55/SiC的拉伸和弯曲强度分别为647MPa和791MPa。纺丝工艺相同时,高强度纤维增强mini C/SiC复合材料的强度与纤维的强度呈正比,而高模量纤维增强mini C/SiC材料的强度与纤维的强度呈反比。高模量纤维增强的材料强度则明显高于高强度纤维增强的材料强度。对于高强度T系列纤维,纤维表面结构的不同是造成mini C/SiC性能不同的主要原因。另外,T300/SiC的拉伸和弯曲模量分别为112GPa和70.8GPa,T800/SiC的拉伸和弯曲模量分别为145GPa和81.8GPa;T700/SiC的拉伸和弯曲模量分别为117GPa和73.0GPa,T1000/SiC的拉伸和弯曲模量分别为158GPa和87.2GPa;M40/SiC的拉伸和弯曲模量分别为132GPa和83.4GPa,M55/SiC的拉伸和弯曲模量为252GPa和109GPa。说明mini C/SiC复合材料的模量与纤维的模量成正比。研究了1400℃、1600℃和1800℃碳纤维高温热处理工艺对不同纤维的表面结构、石墨化度以及mini C/SiC复合材料力学性能和微观结构的影响。热处理温度对碳纤维表面微观结构无影响,高强纤维的石墨化度伴随着高温热处理温度的增大而增大,材料的模量也逐渐提高。高模纤维的石墨化度伴随着高温热处理温度的增大而保持不变,材料的模量也保持不变。力学性能结果表明:随着热处理温度的升高,T300/SiC的弯曲强度逐步降低,1400℃时强度最大为751MPa;拉伸强度先升高后降低,1600℃时强度最大为822MPa;而模量则逐步增大,1800℃时拉伸和弯曲模量分别为181GPa和87.1GPa。T800/SiC的弯曲强度先升高后降低,1600℃时强度最大为962MPa;拉伸强度保持不变,1600℃时强度为837MPa;而模量则逐步增大,1800℃时拉伸和弯曲模量分别为205GPa和131GPa。T700/SiC的弯曲强度逐步降低,1400℃时强度最大为613MPa;拉伸强度先升高后降低,1600℃时强度最大为821MPa;而拉伸模量则逐步增大,弯曲模量保持不变,1800℃时拉伸和弯曲模量分别为140GPa和76.5GPa。T1000/SiC的弯曲和拉伸强度逐步升高,1800℃时弯曲和拉伸强度最大分别为741MPa和950MPa;而拉伸模量则逐步增大,弯曲模量保持不变,1800℃时拉伸和弯曲模量分别为183GPa和106GPa。M40/SiC的弯曲和拉伸强度逐步降低,1400℃时弯曲和拉伸强度最大分别为820MPa和889GPa;而拉伸模量则保持不变,1800℃时拉伸和弯曲模量分别为159GPa和102GPa。M55/SiC的弯曲强度逐步降低,1400℃时强度最大为899MPa;拉伸强度先升高后降低,1600℃时强度最大为950MPa;而模量保持不变,拉伸和弯曲模量分别为260GPa和113GPa。研究了3h、7h和11h CVD PyC涂层工艺对不同纤维的表面结构以及mini C/SiC复合材料力学性能和微观结构的影响。涂层时间对碳纤维表面微观结构影响巨大,沟槽结构纤维的微观结构伴随着涂层时间延长,3h几乎没涂层,7h不连续涂层,11h厚度0.1~0.2μm光滑、连续、均匀涂层。光滑结构纤维的微观结构,3h几乎没涂层,7h不连续涂层,11h厚度约0.1μm粗糙、连续涂层。力学性能结果表明:随涂层时间延长,T300/SiC的弯曲和拉伸强度先减小后增大,3h时弯曲和拉伸强度最大分别为617MPa和539MPa,模量先增大后减小,7h时拉伸和弯曲模量最大为138GPa和81.7GPa。T800/SiC的弯曲强度先增加后减小,7h时弯曲强度最大为791MPa,拉伸强度逐渐减小,3h强度最大为591MPa,弯曲模量逐渐增大,11h时模量最大为104GPa,拉伸模量先增加后减小,7h时模量最大为155GP。T700/SiC的弯曲强度先减小后增大,3h时弯曲强度最大为675MPa,拉伸强度3h和7h相差不大,11h出现减小,3h强度最大为480MPa,3h和7h弯曲模量不变,11h模量最大为80.9GP,拉伸模量先增大后减小,7h时拉伸模量最大为117GPa。T1000/SiC的弯曲强度逐渐增大,11h时弯曲强度最大为695MPa,拉伸强度逐渐减小,3h强度最大为867MPa,3h和7h弯曲模量不变,11h模量最大为94.9GP,拉伸模量先增大后减小,7h时拉伸模量最大为141GPa。M40/SiC的弯曲和拉伸强度先增大后减小,7h时弯曲和拉伸强度最大分别为780MPa和423MPa,弯曲模量逐渐增大,11h时最大为99.0GPa,拉伸模量保持不变,为140GPa。M55/SiC的弯曲和拉伸强度3h和7h保持不变,11h弯曲强度增大,拉伸强度则出现降低,11h时弯曲强度最大为669MPa,7h时拉伸强度最大为600MPa,弯曲和拉伸模量保持不变,分别约为240GPa和105GPa。研究了0h、0.5h、1h和2h空气预氧化工艺对1400℃高温处理的T700纤维表面结构以及mini C/SiC复合材料力学性能和微观结构的影响。空气预氧化对纤维表面微观结构影响巨大。0.5h时表面几乎没有变化,1h时表面出现一些轴向的细微纹路或沟槽,2h后部分区域出现细小的凹坑或鼓包。力学性能结果表明:随氧化时间增加,弯曲强度逐渐减低,0h时弯曲强度最大为648MPa,拉伸强度先增加后降低,1h拉伸强度最大为821MPa,弯曲和拉伸模量先增加后减小,1h时模量分别92.9GPa和150GPa。空气氧化对材料的弯曲强度不利,拉伸强度影响不大,但是对模量的提升比较明显。
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