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《哈尔滨工业大学》 2010年
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短碳纤维增韧碳化硅基复合材料的制备及其断裂机理研究

张云龙  
【摘要】: 继铍、玻璃、铝合金和微晶玻璃等光学材料之后,成本低廉、性能稳定的碳化硅基复合材料成为空间反射镜的候选材料。然而,碳化硅陶瓷,因其固有脆性问题是制约其在极端环境下应用的重要因素,纤维增韧陶瓷基复合材料的制备工艺是解决这一问题的有效手段。本研究将力学性能优异的短碳纤维引入到SiC基复合材料中,制备出低比重、高韧性的短碳纤维增韧碳化硅基复合材料,为极端环境下空间望远镜用碳化硅基复合材料的应用提供技术支持。 利用湿法球磨技术制备了C_f/SiC复合材料的预混料。球磨的运用有利于SiC粉体细化和碳纤维在基体内均匀分散,确定最佳球磨工艺参数,其参数为球磨速度为180rpm、球磨时间8h、球料比为4:1。还研究了碳纤维含量对其在C_f/SiC复合材料内分散性的影响。碳纤维含量大于30%时,短碳纤维存在空间架桥效应。当碳纤维含量低于30%时,碳纤维分散较均匀。 研究了Al_2O_3/Y_2O_3、Al_2O_3/La_2O_3、AlN/Y_2O_3和La_2O_3/Y_2O_3等四种烧结助剂系统下热压C_f/SiC复合材料中助剂比例和力学性能之间关系。结果表明,这四种材料体系下在1900℃和保温1h条件下都能获得相对密度较高的复合材料。在烧结助剂含量相同条件下,在Al_2O_3/Y_2O_3和Al_2O_3/La_2O_3助剂系统中,碳纤维的损伤较小。在AlN/Y_2O_3和La_2O_3/Y_2O_3助剂系统中,碳纤维损伤严重。还研究了这四种体系下C_f/SiC复合材料的增韧机理,主要包括颗粒桥联、裂纹偏转、纤维拔出和微裂纹增韧等机制,在不同助剂体系中纤维拔出增韧效果不同。 研究了热处理工艺对Al_2O_3/Y_2O_3、Al_2O_3/La_2O_3和La_2O_3/Y_2O_3三个烧结助剂系统下热压C_f/SiC复合材料力学性能的影响。当热处理温度高于1850℃和保温时间超过2h时,在Al_2O_3/Y_2O_3系统C_f/SiC复合材料中SiC颗粒生长明显和碳纤维损伤严重。在Al_2O_3/Y_2O_3和La_2O_3/Y_2O_3体系中,纤维拔出、裂纹偏转和颗粒桥联是主要增韧方式。Al_2O_3/La_2O_3系统C_f/SiC复合材料在1750℃热处理1h后,在材料内发现原位生成SiC纳米线和大量位错结构,这将导致热处理后该材料力学性能明显提高,其强度和韧性分别为395MPa和7.42MPa·m~(1/2)。纤维拔出、微裂纹增韧和纳米线增韧等机制是该体系材料力学性能提高的原因。 对Al_2O_3/La_2O_3体系C_f/SiC复合材料进行热处理后,在其内部发现了原位生成的SiC纳米线。研究了热处理温度和保温时间对Al_2O_3/La_2O_3系统C_f/SiC复合材料内原位生成SiC纳米线的影响,确定了SiC纳米线原位增韧C_f/SiC复合材料制备的最佳工艺参数,其参数是热处理温度为1750℃和保温时间1h。SiC纳米线的生长机制包括“气-液-固”机制和“氧化物辅助生长”机制。通过控制工艺参数,可以制备不同形状的SiC纳米线,SiC纳米线主要包括直线状和分叉结构。该分叉纳米线在C_f/SiC复合材料内形成空间的网状结构,有利于提高该体系C_f/SiC复合材料的力学性能。SiC纳米线主要分布在SiC颗粒晶界处,起到强化晶界的作用,提高该复合材料的韧性。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TB332

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