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三维纺织C/SiC复合材料的制备及其性能研究

邹武  
【摘要】: 快速成型技术及其与结构性能的关系是决定碳/碳化硅(简称C/SiC)复合材料研究及发展的重要问题。本文以工艺试验与理论分析为基础,结合致密化机理研究、力学性能分析、微结构表征,对C/SiC复合材料CVI结合PIP法快速致密化技术及其相关技术进行了系统研究。主要内容如下: 构建了碳纤维编织预制体孔隙填充理论模型,对CVI结合PIP法致密化过程进行了函数分析,并对纤维涂层厚度及均一性、孔隙率、孔隙填充速率、闭孔形成速率、表观密度、增密行为特征以及密度均一性等进行了讨论。通过研究,归纳出了CVI工艺与PIP工艺有机结合需要遵循的基本准则:有序性和适时性,并对CVI结合PIP法致密化工艺的参数设计进行了优化。均匀设计的致密化试验结果表明,当工艺参数设置符合孔隙填充速率与闭孔形成速率的比值v_e(t)/v_c(t)>4、残余孔隙率V_e(t)<0.10、平均孔隙填充速率(?)(t)>1×10~(-3)·h~(-1)、比弯曲强度≥30×10~3m等设计参数要求时,获得的CVI结合PIP法创新工艺达到了指标要求:可大批量地快速制备复杂形状的纤维增强SiC基复合材料,三维编织C/SiC复合材料残余孔隙率低、密度均匀性高,在200小时内密度达到2.1g/cm~3以上。 采用偏光显微镜、扫描电子显微镜、X-衍射分析仪等分析仪器手段,表征了C/SiC复合材料中的热解碳中间相、CVI-PIP系SiC基体相的化学组成和微结构。通过C/SiC复合材料制备工艺与微结构、微结构与材料性能之间的内在关系研究,归纳了工艺参数影响材料性能的规律。 根据热解碳中间相、CVI-PIP系SiC基体相的组织构成与外貌特征,通过对热解碳中间相、CVI-PIP系SiC基体相的生长过程和生长特征进行分析,提出了基于层生长模式的致密化过程理论,解释了热解碳中间相、CVI-PIP系SiC基体相以及钉扎诱导结构多重界面的形成:(1)在1150℃下,CVI-SiC亚基体相遵从“过饱和—凝聚—融合”机理沉积,以8F型β—SiC为主,同时还会有少量4H型α—SiC,无游离Si和游离C存在;(2)PIP-SiC亚基体相由非晶态SiC以及弥散分布的β-SiC微晶、Si-O-C和游离C组成;(3)热解碳中间相与碳纤维增强相之间、CVI-SiC亚基体相之间形成渗透钉扎结构过渡界面,PIP-SiC亚基体相与 摘要 CVI一SIC亚基体相之间形成诱导结构过渡界面。 联系化学组成及微结构参数、工艺参数,进而研究了弯曲载荷下该C/SIC 复合材料的行为特征和失效过程,发现了一种与多重界面失效紧密联系的、高 断裂韧性的多重损伤累积型材料破坏现象,补充了传统的脆性基体复合材料强 度一断裂韧性理论。 系统地表征了CVLP护新工艺制备的C/SIC复合材料的力学性能、热物理性 能和热震性能,结果表明,主要材料性能超过了研究设定的性能指标,弯曲强 度达到了743MPa,断裂韧性达到了17.9 MPa.m,尼,剪切强度达到了55.5M卫a。 试验发动机地面热试车结果表明,该C/SIC复合材料的力学性能、烧蚀性能和 热震性能优良,可满足宇航工程中诸如液体火箭发动机推力室等对热结构材料 的使用性能要求。


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