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碳/碳化硅复合材料热膨胀行为研究

张青  
【摘要】: C/SiC复合材料是一种可在1650℃长时间、2200℃有限时间和2800℃瞬时使用的新型超高温结构材料,在航空航天等领域具有广阔的应用前景。系统深入地研究C/SiC复合材料的热膨胀性能及其演变规律,分析其演变机理及影响因素,对于掌握复合材料在制备过程中的应力变化和微结构演变,以及在服役过程中的性能演化具有重要的指导意义。 本文采用热膨胀仪和扫描电镜(SEM)等分析手段,从材料界面热应力的变化和微结构改变的角度,研究了C/SiC复合材料的热膨胀系数及其随温度的演变规律,分析了其演变机理,以及编织结构、高温处理工艺和界面层厚度等对复合材料热膨胀行为的影响。主要研究内容及结果如下: (1)研究了C/SiC复合材料热膨胀系数随温度的变化规律。结果表明,C/SiC复合材料的热膨胀系数随温度的变化规律是纤维和基体相互限制、相互竞争的结果,它随界面热应力的变化而变化。C/SiC复合材料的轴向热膨胀系数随温度的升高线性上升,并在900℃达到最大值,而在900~1400℃之间出现台阶式下降。其径向热膨胀在低温区域(<900℃)内线性增加,与CVD SiC的热膨胀十分接近,在高温区域(>900℃)内迅速降低,并在1200℃急剧回升。 (2)研究了具有不同编织结构的C/SiC复合材料的热膨胀行为。结果表明,纤维的编织结构不同,导致C/SiC复合材料内部热应力的分布和大小不同,使C/SiC复合材料表现出不同的热膨胀行为。各材料的低温热膨胀具有相似的变化规律,均呈线性上升,且在900℃左右达到最大值,但上升的速率不同;高温热膨胀规律各异。 (3)研究了高温处理对C/SiC复合材料热膨胀行为的影响。结果表明,高温处理可提高材料热膨胀的高温稳定性,并通过改变复合材料内部结构及界面热应力,对热膨胀系数产生影响。但高温处理未改变C/SiC复合材料的基体裂纹愈合温度(900℃)。 (4)研究了界面层厚度对C/SiC复合材料热膨胀行为的影响。结果表明,当界面层厚度处于一定范围(约70~220nm)内时,C/SiC复合材料的热膨胀系数随热解碳厚度的增加而逐渐降低。


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